生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

邢岳橋

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生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

邢岳橋

（西安市第八中學(xué)，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(shù)的發(fā)展也極為迅速。生物仿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)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(lǐng)域。仿生技術(shù)已經(jīng)成為目前國內(nèi)外專家學(xué)者以及人民群眾熱議的話題。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物仿生技術(shù)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(fù)、人體器官及組織再構(gòu)中起到了非常重要的作用，也被廣泛應(yīng)用于人類重大疾病的診斷、防治、康復(fù)等多個層面。簡要介紹了生物仿生技術(shù)的主要發(fā)展情況以及主要分類情況，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并簡要概述其未來的發(fā)展?fàn)顩r。

生物仿生技術(shù)；醫(yī)藥行業(yè)；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展方向

1 仿生技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及主要分類

仿生學(xué)，顧名思義就是通過研究生物對象和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征以及相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)，通過能量轉(zhuǎn)換來提取重要信息。并將提取的信息和知識應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)制造、高精尖行業(yè)、建筑、科技、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科的一門綜合學(xué)科。通過對生物固有的結(jié)構(gòu)特征的提取、研究，進(jìn)行相應(yīng)模仿學(xué)習(xí)，并重建生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能并應(yīng)用到人類領(lǐng)域，實現(xiàn)對自然環(huán)境的適應(yīng)和改變，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會價值。目前，現(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)擴(kuò)展到許多領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域和行業(yè)中得到推動和發(fā)展。目前，對于醫(yī)學(xué)仿生學(xué)來說，還是一個新型學(xué)科，它是生物仿生學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，主要是通過仿生學(xué)技術(shù)的研發(fā)與使用從而達(dá)到修復(fù)人體身體功能的目的。

仿生技術(shù)涉及大量領(lǐng)域，因此很難對其進(jìn)行非常準(zhǔn)確分類。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，學(xué)者們總結(jié)了仿生技術(shù)的類型如下：①結(jié)構(gòu)仿生。通過對相關(guān)生物構(gòu)造以及基因的分析研究，構(gòu)建相似生物體及生物結(jié)構(gòu)的高科技產(chǎn)品，從而通過應(yīng)用實現(xiàn)相似功能。②功能仿生。必須建立在結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的基礎(chǔ)之上，通過模仿學(xué)習(xí)動物功能來實現(xiàn)相應(yīng)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(gòu)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(xué)仿生。人體力學(xué)的仿生學(xué)主要研究人體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征。⑤控制仿生。主要分為三類，即先進(jìn)的神經(jīng)元仿生學(xué)，低級神經(jīng)元仿生學(xué)和進(jìn)化機(jī)制。

2 生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

2.1 仿生智能技術(shù)應(yīng)用于殘疾人康復(fù)

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(jī)交互和仿生智能等高科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用，仿生智能技術(shù)衍生的智能輔助設(shè)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(yīng)用仿生技術(shù)的殘疾人康復(fù)器械設(shè)備主要原理是利用包括傳感器、計算機(jī)芯片和機(jī)電設(shè)備在內(nèi)的一些設(shè)備，通過計算機(jī)芯片計算結(jié)果迅速反應(yīng)，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(yīng)。

2.2 生物仿生技術(shù)用于人體仿生材料

仿生材料與生物、工業(yè)材料在本質(zhì)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(xué)層面上應(yīng)用于人體醫(yī)學(xué)研究，比如人體皮膚材料、血液、心臟等。對于人體皮膚修復(fù)材料來說，天然皮膚修復(fù)和替代材料是通過仿制生物結(jié)構(gòu)和功能仿生學(xué)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(xué)和工程學(xué)的角度來看，人體組織可以被認(rèn)為是細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的天然復(fù)合物。隨著組織工程的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)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(dǎo)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(fù)和替代材料，第二代是雙層皮膚修復(fù)與替代材料，第三代是具有輔助成分的皮膚復(fù)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(xué)和生物技術(shù)對豬皮進(jìn)行臨床試驗，去除細(xì)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(shù)用于人體仿生材料最重要也最普遍的一個領(lǐng)域就是人工耳蝸，在一定的情形下，生物仿生技術(shù)可以和基因技術(shù)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(xì)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(shù)雖然還沒有完全應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，但是為今后基因技術(shù)與仿生技術(shù)結(jié)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(xué)的應(yīng)用

仿生學(xué)的一個新領(lǐng)域是使用納米技術(shù)的納米生物學(xué)。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(xué)。納米仿生技術(shù)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(xué)用于幫助修復(fù)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(jìn)受損神經(jīng)的再生，同時指導(dǎo)其生長。

然而由于納米技術(shù)的準(zhǔn)確性，DNA納米結(jié)構(gòu)可用于各種病原微生物、腫瘤標(biāo)志物、遺傳變異和其他相關(guān)指標(biāo)的早期診斷和高靈敏度檢測。先進(jìn)的診斷方式至關(guān)重要，通過研究和制備攜帶特定藥物的納米結(jié)構(gòu)載體，定量釋放靶向部位的緩釋藥物，以解決癌癥轉(zhuǎn)移或治療其他重大疾病。盡管DNA納米技術(shù)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(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須進(jìn)行體內(nèi)安全性評估，細(xì)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(xué)的發(fā)展，從實驗室到臨床實踐的DNA納米技術(shù)之路廣闊但是又相當(dāng)曲折，既存在困難也充斥著光明，目前，仿生納米技術(shù)雖然有了一定的發(fā)展，但是其是否安全，是否能合理應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)還是一個值得探究的課題。

3 生物仿生技術(shù)未來的發(fā)展

在國外，仿生智能技術(shù)是進(jìn)行康復(fù)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(shù)的相關(guān)研究比較廣泛也比較深入，而我國在這方面的研究和應(yīng)用發(fā)展比較晚，研究還相對滯后。目前，生物仿生智能技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用如果想得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，還需要解決兩個關(guān)鍵技術(shù)，即行為仿生學(xué)和控制仿生學(xué)。前者是使智能假肢具備自然肢體的物理能力，使康復(fù)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(yīng)外部一些自然地理條件的變化。為了解決這些核心技術(shù)難題，必須要加強(qiáng)各學(xué)科之間的研究與合作，通過技術(shù)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(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用，利用人工智能技術(shù)提高醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

而仿生醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展就更加復(fù)雜，這一材料的發(fā)展涉及許多尖端學(xué)科和高科技領(lǐng)域，比如材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、工程學(xué)、仿生學(xué)和生物技術(shù)等，如果仿生醫(yī)學(xué)材料可以得到長足穩(wěn)定發(fā)展，它將會具有巨大的應(yīng)用前景和社會效應(yīng)。在我國，雖然仿生醫(yī)學(xué)材料的臨床應(yīng)用還處于起步階段，其相應(yīng)的研究工作也需要多方面學(xué)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(dāng)廣闊的。

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2095－6835（2019）03－0154－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.154

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕