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1960年，美國召開全球第一屆仿生討論會。空軍少校J.E斯蒂爾在會上提出，將這門學科正式定名為“仿生學(Bionics)”——復制自然和從自然獲得想法。

迄今為止，自然界生物具有的功能比任何人造機械都優(yōu)越得多，仿生學就是要在工程學上實現(xiàn)并有效地應用生物功能的一門學科。例如關于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經功能）、自動控制系統(tǒng)等，這種生物體的結構與功能給與機械設計等方面很大啟發(fā)。

意大利理工學院研制仿生手 可恢復90%手部功能

圖片/網(wǎng)易新聞 陳根

仿生學的研究內容隨著現(xiàn)代科學技術進步不斷得到豐富和發(fā)展，在電子仿生、機械仿生、建筑仿生、信息仿生等方面都取得了很大成果。

隨之而來的材料、硬件等產業(yè)開發(fā)更加豐富了仿生學研究的方向，本篇結合回顧前人在醫(yī)用仿生材料方面所做工作，從再生醫(yī)學角度出發(fā)，研討仿生骨材料在不同修復場景下的應用空間與市場前景。

脊椎動物骨經過數(shù)億萬年生物進化而來，主要成分為水、有機物和無機物。

其中有機物約占骨重量35%，包含95%的I型膠原纖維和5%的無定型基質。無定型基質呈凝膠狀，為蛋白質和多糖復合物，其中包括硫酸軟骨素、透明質酸等成分。市面上常見的口服類氨糖、軟骨素大多包含此類成分，可作為特定人群的膳食補充劑。

無機成分約占骨質量的60%~70%，主要成分為羥基磷灰石（HA），此外還包含非晶磷酸鈣（ACP）、磷酸八鈣（OCP）、二水磷酸氫鈣（DCPD）等，這些成分常被認作為磷灰石的前提相存在。

骨中的有機相與無機相晶體間巧妙組裝，使骨具備一定力學性能，其強度和韌性并存且非普通磷酸鈣所能相比。研究表明，人骨的力學性能主要包括四個方面：

①彈性常數(shù)，楊氏模量、泊桑比、剪切模量

②黏彈性性能

③動力性能

④抗壓強度

隨著工作和生活節(jié)奏加快，因車禍、墜落等意外造成的高能損傷增多，由創(chuàng)傷或繼發(fā)性感染導致的骨（含骨軟骨，下同）缺損治療方式不斷優(yōu)化演進。常規(guī)治療手段包含為內源骨修復與外源骨修復。

·內源骨修復雖可排除異體反應，但缺陷同樣明顯——自體骨量有限，只能移植限定部位和限定體積，且提取與植入過程增加了患者多處手術的風險和痛苦感受。

·外源骨修復使用體外材料，多為合成有機高分子、合金金屬，非人源材料的修復效果較差，容易誘發(fā)二次感染。

骨軟骨缺損治療手段包括同種異體移植、激發(fā)骨髓再生修復及清創(chuàng)術，異體移植涉及免疫排斥和疾病傳播問題，而激發(fā)骨髓再生修復只是臨時的姑息手段，難以完全治愈。植入支架逐漸成為行業(yè)新的研發(fā)趨勢。

3D打印技術制備陶瓷骨支架

圖片/3DSCIENCEVALLEY

骨組織工程材料主要包含生物材料、干細胞和生長因子，已有一些支架材料作為骨和軟骨缺損的再生填充物，如羥基磷灰石（HA）和間充質干細胞、重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白、磷酸鈣 骨結合蛋白及聚乳酸-羥基乙酸共聚物等。除制備仿生骨材料外，HA還可作為涂層覆蓋在合金支架表面，解決相容性問題的同時加速誘導骨細胞生長。

羥基磷灰石（HA）的涂覆應用

圖片/搜狐 中國粉體網(wǎng)

綜合考量機械力學、可控降解、生物相容等生長屬性，組織工程學材料被用一類作優(yōu)質的外源骨修復材料。在仿生學基礎上結合多能干細胞、生物大分子研發(fā)制備，促進、誘導植入部位新骨生成。研究表明，以組織工程學材料作為研發(fā)方向，不但有望降低治療中對自體骨的需求量，甚至可以部分或全部替代自體骨組織。

骨的上述精細結構與性能賦予仿生骨科技更多的應用可能，1972年，Hideki A和Jarcho M實現(xiàn)了羥基磷灰石（HA）的獨立合成，將其應用于骨修復手術和骨替代材料中，這也是世界最早誕生的仿生骨科技。

當時，HA材料憑借良好生物相容性，在骨修復材料界迅速擴大體量。但其力學性能欠佳，脆性高，骨誘導作用弱，后人在此基礎上不斷通過各種方式進行改進，進一步針對再生醫(yī)學領域實現(xiàn)材料優(yōu)化。

羥基磷灰石

圖片/搜狐 中國粉體網(wǎng)

誕生初期，仿生骨主要以成分仿生和結構仿生為主，隨著技術發(fā)展，添加有機/無機納米分子、生物大分子、植物蛋白、多肽等制備而成的HA復合材料被大量研發(fā)并應用于骨科治療。

科學家將合成納米HA/膠原復合骨替代材料用于骨髓腔修復治療，發(fā)現(xiàn)這一材料既可誘導骨組織再生，也可被骨內部吸收，實現(xiàn)損傷或病變骨組織的永久性修復。與此同時，材料還具備天然骨非常接近的的成分與微結構組成，無論是降解產物還是吸收率均符合人體長期植入標準。

除此之外，還有學者將氫氧化鈣懸濁液、膠原、硫酸軟骨素以一定比例混合，在形成的三維結構表面制得納米級微晶HA，在不同材料的結構表面呈現(xiàn)不同衍射角度，所制成的的HA具有不同的空間結構和排列方向，這種納米級微晶HA材料與天然骨中的微晶HA結構極為相似，目前科學家以此為基礎進行仿生介入，通過改變納米級HA在膠原或硫酸軟骨素中的排列方向和結構，配合3D打印技術，制備真正的生物骨材料。

化學合成材料難以完全規(guī)避相容性問題，納米纖維、生物纖維材料逐漸成為近兩年科研追逐的熱點。其中主要包含兩方面研究。

①仿生骨“智能”生長載體，以分子識別信號誘導生長，通過自組裝形成HA微晶材料。與此同時，將所需成分“攜帶”在載體表面，不但可以提前構建細胞生長微環(huán)境，更可實現(xiàn)定向功效的開發(fā)。

②涂覆于植入體內的金屬基材料外層，實現(xiàn)可控降解，解決組織相容性問題（負重部位的骨組織修復對材料機械強度要求較高，當前多以金屬基材料植入方式為主）

蠶絲是自然界里非常豐富的原材料，蠶絲蛋白具有極好的生物組織相容性，降解產物無毒性。此外，其降解速度可控，具有較高強度、韌性、透濕性和三維孔隙結構。目前，美國FDA已批準其可作為韌帶和肌腱組織修復材料，并在商業(yè)市場上推廣。

絲素蛋白是天然蠶絲經脫膠工藝后得到的生物大分子，是蠶絲蛋白的主要構成元素，除本身具備的功效蛋白屬性外，還是一種具有力學性能的可溶性結構蛋白，是制備各類臨床支架的天然蛋白材料。

絲素蛋白包含無卷曲、silkⅠ、silkⅡ、silkⅢ四種結構，其中silkⅠ、silkⅡ構型可從溶解狀態(tài)的絲中獲得。

·SilkⅠ結構包括無規(guī)線團與α-螺旋，親水性好不易沉淀，形態(tài)較為穩(wěn)定，常在濃溶液中獲取。

·SilkⅡ構型在稀溶液中獲取，結構呈現(xiàn)反平行β-折疊，相鄰鏈段的分子內氫鍵及分子間引力使他們結合非常緊密，抵抗外力拉伸的能力強，因此絲素蛋白具有較好的可溶性+生物力學性。

作為一種結構蛋白，高純度絲素蛋白常被用于制備成多孔、膜狀、管狀等形態(tài)的材料，可實現(xiàn)多元化的功能/結構/空間設計。將其應用在骨修復方面，與羥基磷灰石（HA）結合形成復合材料，可彌補單純HA存在的壓縮強度低、抗疲勞度差、替代速度慢，植入后在體內出現(xiàn)疏松、遷移擴散產生的破壞性問題。

絲素蛋白內富含的羥基與羧基能與鈣離子緊密結合，誘導HA在絲素蛋白上形成礦化微晶，制備自組裝納米復合材料。這便是前文中提到的“仿生骨「智能」生長載體”。

與此同時，研究還發(fā)現(xiàn)絲素蛋白對軟骨細胞具有良好吸附作用，可在修復過程中維持軟骨細胞正常的形態(tài)和功能。以此為依據(jù)，或可通過冷凍干燥、高壓靜電紡絲等工藝，實現(xiàn)在體外制備軟骨細胞天然支架。這也是將絲素蛋白作為仿生骨材料的重要依據(jù)。

優(yōu)化方面，科學家將絲素蛋白與其他可吸收類材料——如聚丙交酯（PLA）、聚已內酯（PLC）、聚乙交酯復合丙交酯（PLGA）結合，使其具備更加優(yōu)秀的力學性和原料延展性。

延展性應用

應用靜電紡技術，在紡絲過程的電極高速轉動中形成取向連續(xù)長纖維，通過基質材料表面結構引導細胞定向移動，體現(xiàn)在組織修復過程中——召集最先發(fā)生細胞向病灶中心聚集。

添加絲素蛋白的材料可使表面生物活性增加，形成取向纖維，加速細胞向病灶轉移的速度，縮短愈合的整體過程和組織重建的時間。

關于蠶絲蛋白支架在體內外對單純軟骨或單純骨組織再生修復的研究已有一定基礎，不同來源制備的絲蛋白修復材料對再生醫(yī)學修復效果的影響。

經試驗評估，桑蠶和柞蠶來源的支架材料均對骨或軟骨具備誘導能力，桑蠶絲蛋白傾向于形成骨組織，柞蠶絲蛋白傾向于形成軟骨組織。

合適的細胞來源、良好的三維空間結構支架材料、生物誘導微環(huán)境是骨修復的三個關鍵因素，骨細胞的增值分裂能力更是關乎最終的修復結果，絲素蛋白的孔隙結構可有助于形成細胞外基質，使氨基酸等營養(yǎng)物質充分滲透，促進新生血管形成。與此同時，絲素蛋白在體內形成的多孔纖維支架，釋放電化學型號，以力學強度適當刺激細胞分泌生長因子，加速細胞依附、分裂和增值，從骨發(fā)生和骨再生兩個方向修復缺損。

關于仿生骨的制備材料，本文從不同角度進行了闡述分析，外源性植入材料的研發(fā)已成為總體趨勢，而絲素蛋白作為一類天然生物大分子，以多元功能性，組織相容性、優(yōu)秀的生物延展性可適配于不同骨修復需求，其在體外具有力學各向異性和引導細胞沿纖維排列方向運動的能力還可形成“自組裝型”復合材料。

科學家表示，未來或將進一步結合分子生物學和基因工程學，探索材料的“來源改性”，研制出更加符合需求的細胞骨架和氨基酸序列，在天然結構蛋白基礎上，進一步挖掘“人造”絲素蛋白的應用空間。

參考資料：
https://www.zhihu.com/topic/19643055/intro

https://baike.baidu.com/item/仿生學/98918?fr=aladdin

https://www.docin.com/p-1715905254.html

《不同來源蠶絲蛋白修復骨軟骨組織缺損的效果比較_王虔》

《蠶絲蛋白_PCL共混取向纖維的力學性質與細胞響應_袁翰》

《基于蠶絲蛋白的醫(yī)用仿生材料_趙林》

來源：Silktech