黏糊糊的仿生新材料

人類(lèi)受蒼耳屬植物啟發(fā)，發(fā)明了尼龍搭扣。（左：蒼耳屬植物;右：尼龍搭扣）

外科手術(shù)中為傷口縫線(xiàn)需要醫(yī)生精細(xì)的操作

通過(guò)模仿魚(yú)鰭，人類(lèi)發(fā)明了船槳;通過(guò)觀(guān)察蒼耳屬植物，人類(lèi)發(fā)明了尼龍搭扣;仿照水母耳朵（水母觸手上的器官，可檢測(cè)到次聲波）的結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家設(shè)計(jì)出了水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀……這些都是仿生學(xué)的例子。仿生學(xué)是一門(mén)利用或模仿生物學(xué)原理來(lái)尋找創(chuàng)新解決方案的新興科學(xué)。

最近，一些新的仿生材料登上了舞臺(tái)，在生活和醫(yī)療等方面為人們提供了便利。

受鼻涕蟲(chóng)啟發(fā)的醫(yī)用黏合劑

幼兒小手指血管直徑僅有0.3毫米，這樣的手術(shù)動(dòng)輒就得十幾個(gè)小時(shí)。這要求外科醫(yī)生不僅要有繡花姑娘的心靈手巧，而且要有馬拉松運(yùn)動(dòng)員的毅力。為了練就這項(xiàng)技能，外科醫(yī)生需要利用小白鼠練習(xí)縫合5000針，才能積累足夠的經(jīng)驗(yàn)為患者操刀。然而，包括手術(shù)縫線(xiàn)在內(nèi)，使用傳統(tǒng)的機(jī)械式傷口閉合設(shè)備（如回形釘或鉚釘），往往會(huì)對(duì)傷口周?chē)M織造成傷害，并需第二次手術(shù)將其取出。

現(xiàn)今醫(yī)學(xué)界盡量以微創(chuàng)手術(shù)來(lái)取代體外循環(huán)心臟手術(shù)，以降低出現(xiàn)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。但是，要在心臟跳動(dòng)、血液流動(dòng)的情況下縫合細(xì)小的組織，實(shí)在是很大的挑戰(zhàn)。過(guò)去，科學(xué)家設(shè)想用“膠水”黏合傷口來(lái)代替針線(xiàn)縫合，但目前用于傷口修復(fù)的黏合劑大多對(duì)細(xì)胞有毒，或存在黏合不牢固或無(wú)法黏附在濕潤(rùn)表面上的問(wèn)題。

為了提高外科醫(yī)生縫合傷口的效率，減輕患者的痛苦，加快傷口恢復(fù)過(guò)程，科學(xué)家受鼻涕蟲(chóng)（蛞蝓）分泌的黏液的啟發(fā)，研發(fā)出了能夠取代縫線(xiàn)，并能在濕潤(rùn)且動(dòng)態(tài)的環(huán)境中把兩個(gè)表面牢牢黏在一塊的組織黏合劑——“蛞蝓強(qiáng)力膠”。

其貌不揚(yáng)的歐洲紅蛞蝓是一種常見(jiàn)于歐洲大陸林地的鼻涕蟲(chóng)。歐洲紅蛞蝓在受到威脅時(shí)，會(huì)分泌一種橙色的黏液來(lái)覆蓋其身體表面。這種黏液中的黏性蛋白質(zhì)會(huì)快速凝固。在黏液的包裹下，歐洲紅蛞蝓牢牢地黏附在巖石等表面。這讓它們的天敵之一——鳥(niǎo)類(lèi)望而卻步。鳥(niǎo)類(lèi)如果貿(mào)然攻擊，就將面臨喙部如同被口香糖黏住的窘境。而且，即使是非常潮濕的巖石表面，歐洲紅蛞蝓也能利用黏液緊緊地貼合在上面。

歐洲紅蛞蝓

根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)可貼幾乎不能牢固地貼在濕潤(rùn)的皮膚上。而在外科手術(shù)中，要黏合人體內(nèi)部的傷口則是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。

用外科手術(shù)膠水代替針線(xiàn)，通常是為了避免傷口部位二次受損或感染，同時(shí)還可降低手術(shù)材料成本，并加快傷口愈合過(guò)程，縮短患者住院時(shí)間。人體70%的成分都是水，細(xì)胞外液包裹著組織和器官，同時(shí)調(diào)節(jié)著身體的各種功能。黏合劑要在濕潤(rùn)的人體內(nèi)環(huán)境中發(fā)揮作用，就必須能適用于組織器官濕潤(rùn)的表面，且不會(huì)刺激人體產(chǎn)生排異反應(yīng)，同時(shí)還必須能承受人體因運(yùn)動(dòng)拉扯傷口表面而為黏合劑帶來(lái)的張力，還不能溶于水。

沙堡形成的堅(jiān)硬礁石，能抵御海浪的沖擊

密集的管狀“小房間”緊密地排列在一起

受歐洲紅蛞蝓的防御黏液?jiǎn)l(fā)而誕生的“蛞蝓強(qiáng)力膠”是一種水凝膠，因?yàn)槠渲械酿ば匀芤褐泻信c蛞蝓黏液相似、帶正電的蛋白質(zhì)，而這些正電荷會(huì)吸引帶負(fù)電荷的組織，所以可在兩個(gè)表面之間形成牢固的結(jié)合，從而使兩個(gè)物體牢牢地黏在一起。與其他外科手術(shù)膠水相比，需要用額外3倍的力量才能打破“蛞蝓強(qiáng)力膠”的黏合。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用“蛞蝓強(qiáng)力膠”來(lái)修補(bǔ)一顆體外豬心臟上的傷口。待“蛞蝓強(qiáng)力膠”凝固穩(wěn)定后，這枚心臟被充血和放血數(shù)千次，仍保持密封和完整，完全沒(méi)有滴漏血液，并且心肌也隨著泵血而正常地動(dòng)態(tài)拉伸。

對(duì)于當(dāng)前大多數(shù)醫(yī)用膠水來(lái)說(shuō)，要在液體環(huán)境中發(fā)揮作用是極具挑戰(zhàn)性的。普通膠水的黏力不夠大，“502”膠水的黏合能力在干燥的表面上非常好，但其凝固后比較硬、有毒，關(guān)鍵是不具有生物相容性，因此不適合用來(lái)修補(bǔ)跳動(dòng)的心臟或破裂的血管等人體組織。而“蛞蝓強(qiáng)力膠”在濕潤(rùn)環(huán)境中仍具有強(qiáng)大的黏附性。只要有破損的地方，無(wú)論是在心臟、血管上，還是在皮膚、軟骨上等，幾乎都可以被它黏合起來(lái)。

實(shí)驗(yàn)證明，“蛞蝓強(qiáng)力膠”具備良好的生物相容性和可降解性?？茖W(xué)家把人體細(xì)胞移植到強(qiáng)力膠中，24小時(shí)后他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞依然保留原有的生物活力和功能，說(shuō)明強(qiáng)力膠對(duì)人體組織細(xì)胞沒(méi)有毒性?！膀因鯊?qiáng)力膠”也很容易降解?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)中用“蛞蝓強(qiáng)力膠”修補(bǔ)了一只大鼠破損的肝臟（體內(nèi)），結(jié)果大鼠不但沒(méi)有產(chǎn)生排異反應(yīng)，也未發(fā)生與其他組織粘連的情況，而且在傷口愈合后一段時(shí)間內(nèi)，“蛞蝓強(qiáng)力膠”已經(jīng)在其體內(nèi)消失殆盡，根本無(wú)須再次手術(shù)將其取出。

歐洲紅蛞蝓在受到威脅時(shí)，會(huì)分泌黏液并把自身牢牢地粘在棲息處表面

“蛞蝓強(qiáng)力膠”使用方便，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，其良好的生物降解能力也使其成為對(duì)環(huán)境更友好的選擇。而且，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)，所以?xún)r(jià)格也十分合理?？茖W(xué)家很看好這種物美價(jià)廉的醫(yī)用補(bǔ)丁，相信它會(huì)受到廣大患者和外科醫(yī)生的青睞。

小小的沙堡蠕蟲(chóng)從自己的“小房間”中探出腦袋

沙堡蠕蟲(chóng)

向沙堡蠕蟲(chóng)學(xué)習(xí)醫(yī)用的黏合劑

現(xiàn)代建筑物離不開(kāi)水泥和鋼筋，而沙堡蠕蟲(chóng)則是海岸線(xiàn)上的建筑師。它們以沙粒和貝殼碎片作“鋼筋”，以自己分泌的黏液作“水泥”，來(lái)筑建它們?cè)诔遍g帶上的安身之所。漲潮時(shí)，沙堡蠕蟲(chóng)從管道狀的“房間”中出來(lái)覓食，退潮時(shí)它們又回到“房間”中躲避天敵。群居的沙堡蠕蟲(chóng)聚集在一起，無(wú)數(shù)個(gè)管狀房間連成直徑長(zhǎng)數(shù)米堅(jiān)硬無(wú)比的礁石——“沙堡”。

“沙堡”在水中形成，能抵御海浪強(qiáng)烈的沖擊?？茖W(xué)家參考沙堡的這些特性，研發(fā)出一種液態(tài)預(yù)聚合物，在紫外線(xiàn)的照射下能迅速聚合、凝固，從而迅速修補(bǔ)傷口。把這種神奇的膠水涂在需修補(bǔ)的血管或組織上，輔以紫外光照射使其聚合，便能形成富有彈性、防水、能自然降解的補(bǔ)丁?？茖W(xué)家在一顆豬心上做過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使通過(guò)腎上腺素大大提高其心跳，劇烈拉伸的心肌也沒(méi)能讓這種神奇的膠水補(bǔ)丁破損。科學(xué)家很看好這種黏合劑，并認(rèn)為在不久的將來(lái)就能將其運(yùn)用到外科手術(shù)中。

受豬籠草啟發(fā)的潤(rùn)滑劑

自然界的生物不單給了科學(xué)家在如何更好地黏附方面的靈感，也給他們實(shí)踐“反黏附”帶來(lái)了莫大裨益。

豬籠草是一種主要生長(zhǎng)在亞洲的植物，以捕食昆蟲(chóng)維生。它的捕蟲(chóng)籠內(nèi)壁非常光滑，當(dāng)昆蟲(chóng)被蜜汁吸引爬進(jìn)捕蟲(chóng)籠，便只能一去不復(fù)返，在籠底部被消化液活活腐蝕而死。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，捕蟲(chóng)籠內(nèi)壁有一層粗糙帶孔的微型結(jié)構(gòu)，讓水分子可以完全滲入其中，形成一層完美的光滑平面，昆蟲(chóng)帶油的腳沒(méi)法在這樣的表面站穩(wěn)。

這種微型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)今常用的防水物料有截然不同的原理?？茖W(xué)家之前從荷葉得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了“荷葉效應(yīng)”：水珠很容易在荷葉表面滾動(dòng)，原因是葉面上有很多突出物，突出物上有大量絨毛;當(dāng)水珠掉落時(shí)，接觸到的就是這些突出物和夾帶的空氣，而不是真的落在荷葉表面。模仿“荷葉效應(yīng)”中固體和氣體相結(jié)合的界面條件，科學(xué)家制造出了防水材料。

豬籠草則采用固體和液體相結(jié)合的界面，來(lái)使其內(nèi)壁更加光滑，以至于幾乎沒(méi)有東西能在上面停留。科學(xué)家運(yùn)用這個(gè)原理，制造出一種注液帶孔光滑材料。這種材料表面由兩部分組成：一是滿(mǎn)布納米或微米大小細(xì)孔的基礎(chǔ)框架材料，二是能完美滲入這些細(xì)孔且不溶于水的潤(rùn)滑液。

（左圖）荷葉表面有許許多多的蠟狀突起，就像給荷葉鋪上了一層保護(hù)膜，能抵擋任何液體的入侵。（右圖）可憐的蜜蜂落入了豬籠草中，再也出不來(lái)了

藤壺等海洋生物粘滿(mǎn)船底，導(dǎo)致船舶燃料增耗40%，并縮短船舶的使用壽命

這種材料有不少卓越的特性：第一，它耐水、耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑;第二，它的表面極其光滑，只需傾斜2.5度，其表面上的液體便會(huì)自動(dòng)滑落;第三，它能承受680個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)（相等于在海平面下約7000米處的壓強(qiáng)）。

這種材料的用途廣泛。例如，用于遠(yuǎn)洋貨輪的底部，可以阻止貝類(lèi)生物黏在船底，減小船只航行時(shí)的阻力，從而節(jié)省燃料。也可用在餐具表面，讓油類(lèi)等黏附性強(qiáng)的液體完全不會(huì)附著在餐具表面，那就一滴油都不會(huì)浪費(fèi)了。

大自然就是科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，它蘊(yùn)藏著無(wú)窮的珍寶，其中有些看來(lái)毫不起眼，但可以成為新發(fā)明的觸發(fā)點(diǎn)。仿生學(xué)不僅是一門(mén)學(xué)科，而且是人們對(duì)大自然深刻的理解。從復(fù)制自然產(chǎn)物到學(xué)習(xí)其生產(chǎn)過(guò)程，仿生學(xué)還能為我們帶來(lái)什么樣的驚喜？讓我們拭目以待。