修复骨折的胶水背后的秘密来自于蚌类黏附于光滑岩石的作用原理。
蚌类的黏线鼓舞着科学家创造能在水下使用的胶水
15年前，当在潜水时被海水冲离加州海岸时，乔纳森·威尔克(Jonathan Wilker)被周围牢牢贴合在岩石上的蚌类所震撼。威尔克是一个化学家和材料工程师，他很惊讶软体动物是怎么能够依附上的。尤其是，他在想蚌类是如何在水下形成强力粘附性的联结的，因为大多数的人造胶水需要完全干燥的表面才能使用。这个想法激发他开启了探索海洋聚合物的漫长旅程，这也成为了他化学研究的基础。
威尔克在他的寻求之路上并非形单影只。很多其他科学家也被天然聚合物所鼓舞，引起了全球性的对制造一系列如胶水、结构部件和应用于医疗或工业领域的智能灵敏材料的探索。
威尔克从加州的蚌类身上吸取的经验帮助了他同位于美国印第安纳州西拉法叶市普渡大学的研究团队一起在完全处在水下的表层上建立连接。虽然市面上已经存在合成的水下粘合剂，但威尔克说初步的测试结果表明他的团队制造出了更强的产品。一些研究者开发出的仿生聚合物胶水现在已经可以投入生产和销售了。威尔克一个特殊的兴趣是用胶水来修复伤痕。当他在演讲中展示他所做工作的医学潜力时，常常会问，“如果我们不需要手术缝合，只需要用胶水把你粘回原样，不是更好吗？”在他的办公室里，他说希望找到可以修复骨折并比骨头本身更强韧的粘合剂。这就解释了为什么他的办公室里会飘来隔壁锯骨头的噪音。他停下来去关门，并为有些“令人恶心”的声音道歉，接着又满怀热情地开始讨论利用从蚌类和牡蛎身上得到的灵感制作出能在潮湿环境中使用的胶水的可能性。
河蚌蛋白质模拟实验
蚌类黏附性的秘密是它们不同寻常的蛋白质分子。特别的是，当把氢氧基添加到从酪氨酸的蛋白质链中凸出的六个碳环里时，许多酪氨酸一类的氨基酸被转换成了3，4-二羟基苯丙氨酸。这种修正使得蛋白质链的交叉连接得以形成，同样也能形成胶水。威尔克的实验室里发现天然形成的铁也和一种迄今还没有完全理解的有机-无机胶水的形成有关。
为什么不直接从蚌类、牡蛎或其他动物身上提取出胶水呢？威尔克说这是不可行的：每个动物身上只有少量的粘合物，所以不能进行大规模的提取。威尔克用实验室中改良后的聚苯乙烯形成的合成高分子来模仿蚌类中长长的蛋白质链，并把类似于多巴的分子群附着上去来模仿蚌类胶水在湿润环境下的交叉连接功能，从而解决了这个难题。最后产生的聚合物与更简单的化学物，比如从天然的蚌类胶水中发现的铁，进行结合来创造出一系列粘性物质。
威尔克说，“我们现在拥有从某种程度上比超强力胶水更厉害的黏性物。”这些黏性物的医学应用需要严格的安全检测和生物相容性测试。2014年底做出的实验发现了他们的黏性物对成长中的细胞无毒，从而迈出了有希望的第一步。这些胶水现在正在实验室里进行黏结软组织和断骨的试验。国内在工业上的应用，例如黏结建筑物、汽车，甚至是人造指甲比在临床上的应用进步快得多；考虑到这一点，威尔克在2014年成功申请了这项新型聚合粘结剂的专利。他说：“我们现在需要和工业上的合作伙伴保持紧密联系。”并提到他现在正给多个公司送去他的胶水样品以供测试。如果结果如意的话，人造的蚌类胶水很快就能应用到工业，以及最终的药用领域。
研究海参帮助科学家们开发高级的脑电极
海参的敏感性
不仅是只有蚌类和牡蛎激发了物质科学家们的兴趣，研究者们正在探索经过进化后的海参表现出来的多种防护性特征。当受到捕食者攻击时，一些生活在海底的软体动物会自动地迅速变硬从而消除天敌捕食的兴趣。海参能够做出可复原的变形，因为它们拥有一种天然的混合着胶原蛋白纤维的软母体。在母体中调节的蛋白质分子可以改变胶原纤维之间交叉连接的数目，从而使海参可以迅速地在软体和硬体之间切换。
杰弗里·卡帕多纳（Jeffrey Capadona）和他的同事们意识到如此多变的灵活性正是他们研制更佳的植入大脑的微电极所需要的。卡帕多纳是俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的生物材料科学家，也是当地美国退伍军人事务部医疗中心的神经学工程师。他的研究主要集中于接收大脑信号并将其返回大脑或是其他身体部位的移植手术。包括凯斯西储大学许多临床研究员在内的科学家们的一个关键长期目标是修复残疾人的运动技能，甚至是提高他们的认知功能。他们研究对象很有可能是包括老年痴呆症以及其他硬化症在内的典型病症。
当传统的硬电极移植到大脑之后，它们就可以破坏组织结构并导致炎症。这个问题可以通过一种灵活的具有生物兼容性的物质来解决，但是它很难被嵌入大脑。卡帕多纳说，“我们需要一种在嵌入大脑之前很硬，但一旦嵌入之后就会变软的物质。”海参的结构隐藏着一种可以环绕细金属电极并改变其硬度的基质模型。
卡帕多纳和他的同事们在结合了名为“聚乙酸乙烯酯”的合成高分子之后，研制出了被他们称作“胡须”的纤维素微纤束系统。这种“胡须”在干燥的时候是坚硬的（交叉连接中的氢键使纤维素保持半晶体状），但是一旦嵌入大脑并吸收水分之后，它就会膨胀并变得柔韧。卡帕多纳解释说硬度变化和膨胀度的控制是很关键的，这不仅仅是在软硬之间切换的问题，“这也是为什么我们向大自然寻求独特设计的灵感。”
研究者们正在老鼠身上尝试将电极嵌入“胡须”中，以期很快将该试验转移到非人类的灵长类动物身上，并最终应用于人类。“结果证明，这是减小组织破坏和发炎的最成功的方法之一。”卡帕多纳说道，他最新的研究成果具有可以忽略不计的发炎情况和神经元的丢失率。不过，迄今为止所做的唯一试验是在麻醉的老鼠身上做的短期试验。卡帕多纳说他的团队现在必须着手更长期的研究。
尽管卡帕多纳主要研究的是脑机接口的功能性电极，他也设想将该技术应用于不太复杂的医疗领域。比如说，导尿管及其支架就要求在嵌入时是硬的，一旦就位后就需要变得灵活。他的含有聚合物的合成材料甚至还吸引了一些玩具制造商的兴趣。他不确定玩具设计者脑中的想法是怎样的，但他说，“去推测一下是很有趣的事情。”
坚韧灵活的水凝胶
许多关于仿生高分子的研究中都包含了水凝胶――它由高分子链构成，能随着条件改变灵活自如地吸收或释放水分。关于它的应用，可以从日常生活用品，例如高吸收能力的尿不湿，扩展到最前沿的医疗领域，如修复伤口，保证仿生移植物良好地与身体兼容等等。来自于澳大利亚悉尼大学的生物工程师法里巴·邓甘尼（Fariba Dehghani）根据天然明胶和一种能够重造骨骼的合成高分子混合物，研究出了仿生水凝胶。在试管实验中，这种水凝胶为修复骨折或重塑四肢的骨细胞提供了生长环境。压缩和张力测试的结果使得邓甘尼有信心声称他的水凝胶可以承受巨大的压力，并应当评估为骨骼再造的应用材料。
除了为细胞生长提供基质外，许多天然生物聚合物的另一个重要特征是能够对大量不同的刺激物做出反应。在复制这种能力的过程中，一些研究者们正在发展能够模仿活组织对化学刺激做出膨胀或收缩反应，并能够随温度、pH值、电场和磁场强度、亮度的变化而变化的水凝胶。来自加州大学圣迭戈分校的仿生材料和干细胞工程实验室的生物工程师塞尼·瓦吉斯（Shyni Varghese）说，在应对这些刺激的反应中，水凝胶可以帮助完成各种有用的动作，如释放药物，开合植入的阀门和支架，以及修复伤口等等。
“大自然是我们创造具有多功能和多特性的刺激-反应型水凝胶的真正导师。”对当今和潜在的应用做出综述评论的合著者瓦吉斯这样说道。他强调目前大部分的进步仍处在概念验证阶段，为了举例说明目前的技术即将走向市场，他引用了一类被称为“泊洛沙姆”的即将用于药物传输领域的感温聚合物。瓦吉斯指出，用于胃穿孔的自动调节性胰岛素输入设备和水凝胶密封剂都是走出实验室并应用到临床领域的实例。
许多研究者从实验室迈向商业领域要面临的重大挑战是做大量的现实研究并获得安全许可证，威尔克指出拥有正确的技术只是该过程中的一部分，他说：“你需要有好员工，好的竞争环境以及在合理时间范围内的合适投资者。”对于威尔克和其他研究者而言，所有的研究力量正在汇聚起来使得仿生技术的广泛应用成为现实。在威尔克进行艰难但是鼓舞人心的潜水过去多年之后，他希望能在不远的将来成功潜入波涛滚滚的市场急流中。
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐