黏糊糊的仿生新材料

2021-11-30

大自然探索 2021年10期

人类受苍耳属植物启发，发明了尼龙搭扣。（左：苍耳属植物;右：尼龙搭扣）

外科手术中为伤口缝线需要医生精细的操作

通过模仿鱼鳍，人类发明了船桨;通过观察苍耳属植物，人类发明了尼龙搭扣;仿照水母耳朵（水母触手上的器官，可检测到次声波）的结构和功能，科学家设计出了水母耳风暴预测仪……这些都是仿生学的例子。仿生学是一门利用或模仿生物学原理来寻找创新解决方案的新兴科学。

最近，一些新的仿生材料登上了舞台，在生活和医疗等方面为人们提供了便利。

受鼻涕虫启发的医用黏合剂

幼儿小手指血管直径仅有0.3毫米，这样的手术动辄就得十几个小时。这要求外科医生不仅要有绣花姑娘的心灵手巧，而且要有马拉松运动员的毅力。为了练就这项技能，外科医生需要利用小白鼠练习缝合5000针，才能积累足够的经验为患者操刀。然而，包括手术缝线在内，使用传统的机械式伤口闭合设备（如回形钉或铆钉），往往会对伤口周围组织造成伤害，并需第二次手术将其取出。

现今医学界尽量以微创手术来取代体外循环心脏手术，以降低出现并发症的风险。但是，要在心脏跳动、血液流动的情况下缝合细小的组织，实在是很大的挑战。过去，科学家设想用“胶水”黏合伤口来代替针线缝合，但目前用于伤口修复的黏合剂大多对细胞有毒，或存在黏合不牢固或无法黏附在湿润表面上的问题。

为了提高外科医生缝合伤口的效率，减轻患者的痛苦，加快伤口恢复过程，科学家受鼻涕虫（蛞蝓）分泌的黏液的启发，研发出了能够取代缝线，并能在湿润且动态的环境中把两个表面牢牢黏在一块的组织黏合剂——“蛞蝓强力胶”。

其貌不扬的欧洲红蛞蝓是一种常见于欧洲大陆林地的鼻涕虫。欧洲红蛞蝓在受到威胁时，会分泌一种橙色的黏液来覆盖其身体表面。这种黏液中的黏性蛋白质会快速凝固。在黏液的包裹下，欧洲红蛞蝓牢牢地黏附在岩石等表面。这让它们的天敌之一——鸟类望而却步。鸟类如果贸然攻击，就将面临喙部如同被口香糖黏住的窘境。而且，即使是非常潮湿的岩石表面，欧洲红蛞蝓也能利用黏液紧紧地贴合在上面。

欧洲红蛞蝓

根据日常经验，创可贴几乎不能牢固地贴在湿润的皮肤上。而在外科手术中，要黏合人体内部的伤口则是一个更大的挑战。

用外科手术胶水代替针线，通常是为了避免伤口部位二次受损或感染，同时还可降低手术材料成本，并加快伤口愈合过程，缩短患者住院时间。人体70%的成分都是水，细胞外液包裹着组织和器官，同时调节着身体的各种功能。黏合剂要在湿润的人体内环境中发挥作用，就必须能适用于组织器官湿润的表面，且不会刺激人体产生排异反应，同时还必须能承受人体因运动拉扯伤口表面而为黏合剂带来的张力，还不能溶于水。

沙堡形成的堅硬礁石，能抵御海浪的冲击

密集的管状“小房间”紧密地排列在一起

受欧洲红蛞蝓的防御黏液启发而诞生的“蛞蝓强力胶”是一种水凝胶，因为其中的黏性溶液中含有与蛞蝓黏液相似、带正电的蛋白质，而这些正电荷会吸引带负电荷的组织，所以可在两个表面之间形成牢固的结合，从而使两个物体牢牢地黏在一起。与其他外科手术胶水相比，需要用额外3倍的力量才能打破“蛞蝓强力胶”的黏合。在一项实验中，科学家用“蛞蝓强力胶”来修补一颗体外猪心脏上的伤口。待“蛞蝓强力胶”凝固稳定后，这枚心脏被充血和放血数千次，仍保持密封和完整，完全没有滴漏血液，并且心肌也随着泵血而正常地动态拉伸。

对于当前大多数医用胶水来说，要在液体环境中发挥作用是极具挑战性的。普通胶水的黏力不够大，“502”胶水的黏合能力在干燥的表面上非常好，但其凝固后比较硬、有毒，关键是不具有生物相容性，因此不适合用来修补跳动的心脏或破裂的血管等人体组织。而“蛞蝓强力胶”在湿润环境中仍具有强大的黏附性。只要有破损的地方，无论是在心脏、血管上，还是在皮肤、软骨上等，几乎都可以被它黏合起来。

实验证明，“蛞蝓强力胶”具备良好的生物相容性和可降解性。科学家把人体细胞移植到强力胶中，24小时后他们发现这些细胞依然保留原有的生物活力和功能，说明强力胶对人体组织细胞没有毒性。“蛞蝓强力胶”也很容易降解。科学家在实验中用“蛞蝓强力胶”修补了一只大鼠破损的肝脏（体内），结果大鼠不但没有产生排异反应，也未发生与其他组织粘连的情况，而且在伤口愈合后一段时间内，“蛞蝓强力胶”已经在其体内消失殆尽，根本无须再次手术将其取出。

欧洲红蛞蝓在受到威胁时，会分泌黏液并把自身牢牢地粘在栖息处表面

“蛞蝓强力胶”使用方便，对人体无毒无害，其良好的生物降解能力也使其成为对环境更友好的选择。而且，由于其结构简单，便于生产，所以价格也十分合理。科学家很看好这种物美价廉的医用补丁，相信它会受到广大患者和外科医生的青睐。

小小的沙堡蠕虫从自己的“小房间”中探出脑袋

沙堡蠕虫

向沙堡蠕虫学习医用的黏合剂

现代建筑物离不开水泥和钢筋，而沙堡蠕虫则是海岸线上的建筑师。它们以沙粒和贝壳碎片作“钢筋”，以自己分泌的黏液作“水泥”，来筑建它们在潮间带上的安身之所。涨潮时，沙堡蠕虫从管道状的“房间”中出来觅食，退潮时它们又回到“房间”中躲避天敌。群居的沙堡蠕虫聚集在一起，无数个管状房间连成直径长数米坚硬无比的礁石——“沙堡”。

“沙堡”在水中形成，能抵御海浪强烈的冲击。科学家参考沙堡的这些特性，研发出一种液态预聚合物，在紫外线的照射下能迅速聚合、凝固，从而迅速修补伤口。把这种神奇的胶水涂在需修补的血管或组织上，辅以紫外光照射使其聚合，便能形成富有弹性、防水、能自然降解的补丁。科学家在一颗猪心上做过实验，发现即使通过肾上腺素大大提高其心跳，剧烈拉伸的心肌也没能让这种神奇的胶水补丁破损。科学家很看好这种黏合剂，并认为在不久的将来就能将其运用到外科手术中。

受猪笼草启发的润滑剂

自然界的生物不单给了科学家在如何更好地黏附方面的灵感，也给他们实践“反黏附”带来了莫大裨益。

猪笼草是一种主要生长在亚洲的植物，以捕食昆虫维生。它的捕虫笼内壁非常光滑，当昆虫被蜜汁吸引爬进捕虫笼，便只能一去不复返，在笼底部被消化液活活腐蚀而死。

科学家发现，捕虫笼内壁有一层粗糙带孔的微型结构，让水分子可以完全渗入其中，形成一层完美的光滑平面，昆虫带油的脚没法在这样的表面站稳。

这种微型结构与现今常用的防水物料有截然不同的原理。科学家之前从荷叶得到启发，发现了“荷叶效应”：水珠很容易在荷叶表面滚动，原因是叶面上有很多突出物，突出物上有大量绒毛;当水珠掉落时，接触到的就是这些突出物和夹带的空气，而不是真的落在荷叶表面。模仿“荷叶效应”中固体和气体相结合的界面条件，科学家制造出了防水材料。

猪笼草则采用固体和液体相结合的界面，来使其内壁更加光滑，以至于几乎没有东西能在上面停留。科学家运用这个原理，制造出一种注液带孔光滑材料。这种材料表面由两部分组成：一是满布纳米或微米大小细孔的基础框架材料，二是能完美渗入这些细孔且不溶于水的润滑液。