生物仿生技术在医学领域的应用与发展

2019-11-29邢岳桥

科技与创新 2019年3期

邢岳桥

生物仿生技术在医学领域的应用与发展

邢岳桥

（西安市第八中学，陕西西安 710000）

近年来，随着人工智能的兴起和发展，生物仿生技术的发展也极为迅速。生物仿生技术已经应用到军事、医疗、工业制造业、建筑行业等多个热门行业及领域。仿生技术已经成为目前国内外专家学者以及人民群众热议的话题。而在医学领域，生物仿生技术刚刚兴起还处在初步探索与发展阶段，但是已经在医疗康复、人体器官及组织再构中起到了非常重要的作用，也被广泛应用于人类重大疾病的诊断、防治、康复等多个层面。简要介绍了生物仿生技术的主要发展情况以及主要分类情况，并在此基础上详细说明了生物仿生技术在医学领域的具体应用，并简要概述其未来的发展状况。

生物仿生技术；医药行业；应用领域；发展方向

1 仿生技术发展状况及主要分类

仿生学，顾名思义就是通过研究生物对象和系统的结构特征以及相应的组织结构，通过能量转换来提取重要信息。并将提取的信息和知识应用于现代工业制造、高精尖行业、建筑、科技、医学等多个学科的一门综合学科。通过对生物固有的结构特征的提取、研究，进行相应模仿学习，并重建生物系统的结构、功能并应用到人类领域，实现对自然环境的适应和改变，创造经济和社会价值。目前，现代仿生学已经扩展到许多领域，并在这些领域和行业中得到推动和发展。目前，对于医学仿生学来说，还是一个新型学科，它是生物仿生学在医学领域的应用及发展，主要是通过仿生学技术的研发与使用从而达到修复人体身体功能的目的。

仿生技术涉及大量领域，因此很难对其进行非常准确分类。根据目前国内外的研究现状，学者们总结了仿生技术的类型如下：①结构仿生。通过对相关生物构造以及基因的分析研究，构建相似生物体及生物结构的高科技产品，从而通过应用实现相似功能。②功能仿生。必须建立在结构仿生学的基础之上，通过模仿学习动物功能来实现相应的思维感知以及运动和操纵。③材料仿生。模拟生物特征如人体皮肤、血液构造、眼膜、心脏等特征实现仿生材料的研制与开发。④力学仿生。人体力学的仿生学主要研究人体结构的静态特征。⑤控制仿生。主要分为三类，即先进的神经元仿生学，低级神经元仿生学和进化机制。

2 生物仿生技术在医学领域的具体应用

2.1 仿生智能技术应用于残疾人康复

对于健康人来说，平脚站立是再正常不过的事情，但是对于残疾人或某些截肢患者来说，这种简单的动作要想实现是非常困难的。而现如今，随着人机交互和仿生智能等高科技技术的不断创新发展与应用，仿生智能技术衍生的智能辅助设备正在为残疾人的生活带来巨大变化，也呈现出了广阔的市场前景。

应用仿生技术的残疾人康复器械设备主要原理是利用包括传感器、计算机芯片和机电设备在内的一些设备，通过计算机芯片计算结果迅速反应，以确定佩戴者所处的周边地理环境，推测其下一步的行为指令，以这种方式，代替人脑和生物神经，向辅助肢体发出动作命令。在帮助穿着者行走的同时，还可以提供主动扭矩以成功地实现对多个地形的主动适应。

2.2 生物仿生技术用于人体仿生材料

仿生材料与生物、工业材料在本质上的区别为是否在生理环境及条件下使用。仿生材料通过移植生物体内的某些具有辨识度的特性，通过与人体器官兼容从而在医学层面上应用于人体医学研究，比如人体皮肤材料、血液、心脏等。对于人体皮肤修复材料来说，天然皮肤修复和替代材料是通过仿制生物结构和功能仿生学而产生的，这实际上是一种非常流行的仿生组织工程皮肤。

从材料科学和工程学的角度来看，人体组织可以被认为是细胞和细胞外基质的天然复合物。随着组织工程的发展，生物医学材料面临新的挑战，不仅要求生物材料具有生物安全性和生物相容性，还会在植入人体后，诱导血管和神经的黏附，增殖，分化和生长，这意味着模仿组织工程材料。遵循仿生材料的皮肤、仿生组织工程皮肤的发展经历了三代，第一代是单层（皮肤层或真皮）皮肤修复和替代材料，第二代是双层皮肤修复与替代材料，第三代是具有辅助成分的皮肤复合物，例如毛囊和汗腺。在实际临床试验中，通过一系列特殊的物理、化学和生物技术对猪皮进行临床试验，去除细胞等抗原成分。通过实验发现，适用于生物降解的生物相容性人造皮肤材料可用于临床实践。

生物仿生技术用于人体仿生材料最重要也最普遍的一个领域就是人工耳蜗，在一定的情形下，生物仿生技术可以和基因技术共同作用来改善人的听力状况。一般如果一个人听力受损极大是由于耳蜗的听力神经和细胞受损，而通过仿生人体耳蜗的人工耳蜗可以通过释放出的电极来模拟听力神经，目前该技术虽然还没有完全应用于临床医学，但是为今后基因技术与仿生技术结合治疗仿生耳朵奠定了方向，也为今后仿生材料的发展提供了一个研究方向。

2.3 纳米仿生学的应用

仿生学的一个新领域是使用纳米技术的纳米生物学。在原子或分子水平上使用微小的电路和材料，可以有效地靶向身体组织，并且可以朝着小型化发展仿生学。纳米仿生技术将有助于下一代仿生耳的发展，纳米电极可以改善植入物与神经的连接。同样，纳米生物学用于帮助修复脊髓损伤或其他神经损伤。植入的纳米级材料，例如碳纳米管，可用于促进受损神经的再生，同时指导其生长。

然而由于纳米技术的准确性，DNA纳米结构可用于各种病原微生物、肿瘤标志物、遗传变异和其他相关指标的早期诊断和高灵敏度检测。先进的诊断方式至关重要，通过研究和制备携带特定药物的纳米结构载体，定量释放靶向部位的缓释药物，以解决癌症转移或治疗其他重大疾病。尽管DNA纳米技术正在迅速发展，但它仍处于发展的早期阶段，并面临许多挑战，例如DNA合成，其合成成本也很高，要想实现更先进的结构设计，就必须进行体内安全性评估，细胞摄取效率等，这一系列活动也面临较高昂的成本费用。随着科学的发展，从实验室到临床实践的DNA纳米技术之路广阔但是又相当曲折，既存在困难也充斥着光明，目前，仿生纳米技术虽然有了一定的发展，但是其是否安全，是否能合理应用到临床医学还是一个值得探究的课题。

3 生物仿生技术未来的发展

在国外，仿生智能技术是进行康复医疗、人工材料研究的热点，而目前国外针对生物仿生技术的相关研究比较广泛也比较深入，而我国在这方面的研究和应用发展比较晚，研究还相对滞后。目前，生物仿生智能技术在康复医疗领域的应用如果想得到广泛应用与发展，还需要解决两个关键技术，即行为仿生学和控制仿生学。前者是使智能假肢具备自然肢体的物理能力，使康复用品的辅助性能比普通假肢更接近真肢；后者使智能假肢系统的动作能够更加便捷，具有识别人体意图的能力，并且能够主动适应外部一些自然地理条件的变化。为了解决这些核心技术难题，必须要加强各学科之间的研究与合作，通过技术创新支持来大力扶持和发展生物仿生这一新型高科技技术的研究发展与应用，利用人工智能技术提高医学领域的发展。

而仿生医学材料的发展就更加复杂，这一材料的发展涉及许多尖端学科和高科技领域，比如材料科学、医学、细胞学、工程学、仿生学和生物技术等，如果仿生医学材料可以得到长足稳定发展，它将会具有巨大的应用前景和社会效应。在我国，虽然仿生医学材料的临床应用还处于起步阶段，其相应的研究工作也需要多方面学科的共同辅助，还有很长的一段路走，但是其未来的发展前景也是相当广阔的。

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