邢岳橋

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生物仿生技術在醫(yī)學領域的應用與發(fā)展

邢岳橋

（西安市第八中學，陜西 西安 710000）

近年來，隨著人工智能的興起和發(fā)展，生物仿生技術的發(fā)展也極為迅速。生物仿生技術已經(jīng)應用到軍事、醫(yī)療、工業(yè)制造業(yè)、建筑行業(yè)等多個熱門行業(yè)及領域。仿生技術已經(jīng)成為目前國內(nèi)外專家學者以及人民群眾熱議的話題。而在醫(yī)學領域，生物仿生技術剛剛興起還處在初步探索與發(fā)展階段，但是已經(jīng)在醫(yī)療康復、人體器官及組織再構中起到了非常重要的作用，也被廣泛應用于人類重大疾病的診斷、防治、康復等多個層面。簡要介紹了生物仿生技術的主要發(fā)展情況以及主要分類情況，并在此基礎上詳細說明了生物仿生技術在醫(yī)學領域的具體應用，并簡要概述其未來的發(fā)展狀況。

生物仿生技術；醫(yī)藥行業(yè)；應用領域；發(fā)展方向

1 仿生技術發(fā)展狀況及主要分類

仿生學，顧名思義就是通過研究生物對象和系統(tǒng)的結構特征以及相應的組織結構，通過能量轉換來提取重要信息。并將提取的信息和知識應用于現(xiàn)代工業(yè)制造、高精尖行業(yè)、建筑、科技、醫(yī)學等多個學科的一門綜合學科。通過對生物固有的結構特征的提取、研究，進行相應模仿學習，并重建生物系統(tǒng)的結構、功能并應用到人類領域，實現(xiàn)對自然環(huán)境的適應和改變，創(chuàng)造經(jīng)濟和社會價值。目前，現(xiàn)代仿生學已經(jīng)擴展到許多領域，并在這些領域和行業(yè)中得到推動和發(fā)展。目前，對于醫(yī)學仿生學來說，還是一個新型學科，它是生物仿生學在醫(yī)學領域的應用及發(fā)展，主要是通過仿生學技術的研發(fā)與使用從而達到修復人體身體功能的目的。

仿生技術涉及大量領域，因此很難對其進行非常準確分類。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，學者們總結了仿生技術的類型如下：①結構仿生。通過對相關生物構造以及基因的分析研究，構建相似生物體及生物結構的高科技產(chǎn)品，從而通過應用實現(xiàn)相似功能。②功能仿生。必須建立在結構仿生學的基礎之上，通過模仿學習動物功能來實現(xiàn)相應的思維感知以及運動和操縱。③材料仿生。模擬生物特征如人體皮膚、血液構造、眼膜、心臟等特征實現(xiàn)仿生材料的研制與開發(fā)。④力學仿生。人體力學的仿生學主要研究人體結構的靜態(tài)特征。⑤控制仿生。主要分為三類，即先進的神經(jīng)元仿生學，低級神經(jīng)元仿生學和進化機制。

2 生物仿生技術在醫(yī)學領域的具體應用

2.1 仿生智能技術應用于殘疾人康復

對于健康人來說，平腳站立是再正常不過的事情，但是對于殘疾人或某些截肢患者來說，這種簡單的動作要想實現(xiàn)是非常困難的。而現(xiàn)如今，隨著人機交互和仿生智能等高科技技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展與應用，仿生智能技術衍生的智能輔助設備正在為殘疾人的生活帶來巨大變化，也呈現(xiàn)出了廣闊的市場前景。

應用仿生技術的殘疾人康復器械設備主要原理是利用包括傳感器、計算機芯片和機電設備在內(nèi)的一些設備，通過計算機芯片計算結果迅速反應，以確定佩戴者所處的周邊地理環(huán)境，推測其下一步的行為指令，以這種方式，代替人腦和生物神經(jīng)，向輔助肢體發(fā)出動作命令。在幫助穿著者行走的同時，還可以提供主動扭矩以成功地實現(xiàn)對多個地形的主動適應。

2.2 生物仿生技術用于人體仿生材料

仿生材料與生物、工業(yè)材料在本質上的區(qū)別為是否在生理環(huán)境及條件下使用。仿生材料通過移植生物體內(nèi)的某些具有辨識度的特性，通過與人體器官兼容從而在醫(yī)學層面上應用于人體醫(yī)學研究，比如人體皮膚材料、血液、心臟等。對于人體皮膚修復材料來說，天然皮膚修復和替代材料是通過仿制生物結構和功能仿生學而產(chǎn)生的，這實際上是一種非常流行的仿生組織工程皮膚。

從材料科學和工程學的角度來看，人體組織可以被認為是細胞和細胞外基質的天然復合物。隨著組織工程的發(fā)展，生物醫(yī)學材料面臨新的挑戰(zhàn)，不僅要求生物材料具有生物安全性和生物相容性，還會在植入人體后，誘導血管和神經(jīng)的黏附，增殖，分化和生長，這意味著模仿組織工程材料。遵循仿生材料的皮膚、仿生組織工程皮膚的發(fā)展經(jīng)歷了三代，第一代是單層（皮膚層或真皮）皮膚修復和替代材料，第二代是雙層皮膚修復與替代材料，第三代是具有輔助成分的皮膚復合物，例如毛囊和汗腺。在實際臨床試驗中，通過一系列特殊的物理、化學和生物技術對豬皮進行臨床試驗，去除細胞等抗原成分。通過實驗發(fā)現(xiàn)，適用于生物降解的生物相容性人造皮膚材料可用于臨床實踐。

生物仿生技術用于人體仿生材料最重要也最普遍的一個領域就是人工耳蝸，在一定的情形下，生物仿生技術可以和基因技術共同作用來改善人的聽力狀況。一般如果一個人聽力受損極大是由于耳蝸的聽力神經(jīng)和細胞受損，而通過仿生人體耳蝸的人工耳蝸可以通過釋放出的電極來模擬聽力神經(jīng)，目前該技術雖然還沒有完全應用于臨床醫(yī)學，但是為今后基因技術與仿生技術結合治療仿生耳朵奠定了方向，也為今后仿生材料的發(fā)展提供了一個研究方向。

2.3 納米仿生學的應用

仿生學的一個新領域是使用納米技術的納米生物學。在原子或分子水平上使用微小的電路和材料，可以有效地靶向身體組織，并且可以朝著小型化發(fā)展仿生學。納米仿生技術將有助于下一代仿生耳的發(fā)展，納米電極可以改善植入物與神經(jīng)的連接。同樣，納米生物學用于幫助修復脊髓損傷或其他神經(jīng)損傷。植入的納米級材料，例如碳納米管，可用于促進受損神經(jīng)的再生，同時指導其生長。

然而由于納米技術的準確性，DNA納米結構可用于各種病原微生物、腫瘤標志物、遺傳變異和其他相關指標的早期診斷和高靈敏度檢測。先進的診斷方式至關重要，通過研究和制備攜帶特定藥物的納米結構載體，定量釋放靶向部位的緩釋藥物，以解決癌癥轉移或治療其他重大疾病。盡管DNA納米技術正在迅速發(fā)展，但它仍處于發(fā)展的早期階段，并面臨許多挑戰(zhàn)，例如DNA合成，其合成成本也很高，要想實現(xiàn)更先進的結構設計，就必須進行體內(nèi)安全性評估，細胞攝取效率等，這一系列活動也面臨較高昂的成本費用。隨著科學的發(fā)展，從實驗室到臨床實踐的DNA納米技術之路廣闊但是又相當曲折，既存在困難也充斥著光明，目前，仿生納米技術雖然有了一定的發(fā)展，但是其是否安全，是否能合理應用到臨床醫(yī)學還是一個值得探究的課題。

3 生物仿生技術未來的發(fā)展

在國外，仿生智能技術是進行康復醫(yī)療、人工材料研究的熱點，而目前國外針對生物仿生技術的相關研究比較廣泛也比較深入，而我國在這方面的研究和應用發(fā)展比較晚，研究還相對滯后。目前，生物仿生智能技術在康復醫(yī)療領域的應用如果想得到廣泛應用與發(fā)展，還需要解決兩個關鍵技術，即行為仿生學和控制仿生學。前者是使智能假肢具備自然肢體的物理能力，使康復用品的輔助性能比普通假肢更接近真肢；后者使智能假肢系統(tǒng)的動作能夠更加便捷，具有識別人體意圖的能力，并且能夠主動適應外部一些自然地理條件的變化。為了解決這些核心技術難題，必須要加強各學科之間的研究與合作，通過技術創(chuàng)新支持來大力扶持和發(fā)展生物仿生這一新型高科技技術的研究發(fā)展與應用，利用人工智能技術提高醫(yī)學領域的發(fā)展。

而仿生醫(yī)學材料的發(fā)展就更加復雜，這一材料的發(fā)展涉及許多尖端學科和高科技領域，比如材料科學、醫(yī)學、細胞學、工程學、仿生學和生物技術等，如果仿生醫(yī)學材料可以得到長足穩(wěn)定發(fā)展，它將會具有巨大的應用前景和社會效應。在我國，雖然仿生醫(yī)學材料的臨床應用還處于起步階段，其相應的研究工作也需要多方面學科的共同輔助，還有很長的一段路走，但是其未來的發(fā)展前景也是相當廣闊的。

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2095－6835（2019）03－0154－02

TQ460.1

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.154

〔編輯：嚴麗琴〕