揭秘八大醫學靈感：納米助聽器模仿蒼蠅耳朵(組圖)

2009-12-07 21:00

據國外媒體報導，把大自然改造得更好一點，非常困難，這是因為那錯綜複雜的結構和模式都是在長期的進化和調整中被慢慢塑造出來的。但我們可以向自然之母學習，比如，很多醫學技術便是我們從動物身上學來的。

1.軟硬結合的烏賊嘴 

烏賊嘴是一個天然的工程傑作。它完全由角質等有機材料構成，頂端異常堅硬，基部非常柔軟靈活。烏賊嘴擁有的這兩種截然相反的特徵，可以解釋身為軟體動物的烏賊將把捕獲的食物一點點撕碎而不會傷到自己。

這個重要的研究成果是由加州大學聖塔芭芭拉分校的一個科研組提出的，他們指出，像烏賊嘴這種漸變材料，在醫學和生物技術上有著非常廣泛的應用。例如，科學家可以研發出一種一端模仿軟骨的彈性，另一端模仿骨骼硬度的假肢。除了它們的功能性以外，這些韌性材料跟目前用金屬或者陶瓷製成的假肢不一樣，既硬又軟的特性，對周圍的組織是有益的。

2.模仿沙塔蠕蟲製成超級骨膠 

如果只考慮細節和投入的時間的話，沙塔蠕蟲(sandcastle worms)精美的結構可以在任何建築大賽中獲勝。這種小得出奇的蠕蟲小心翼翼地把它發現的單個沙粒、貝殼和其他散落的粒子用膠水粘在一起，組裝成自己的房子。

沙塔蠕蟲利用像鬍鬚一樣的觸手抓住粒子，把它們拖入口中。如果這個沙粒和其他沙粒符合它的要求，沙塔蠕蟲就會在小沙粒上抹點自製的膠水，然後把它們放到正在不斷變大的殼上。

這種建造複雜外殼的緩慢過程跟重建斷裂的骨骼的過程幾乎一樣。兩種情況下，粘貼碎片所用的膠水都必須滿足無毒、防水的條件，而且最為重要的是，沙塔蠕蟲的膠水粘合速度很快。

因此，猶他大學分子生物工程師拉塞爾·斯圖爾特(Russell Stewart)認為，模仿沙塔蠕蟲的膠水強度製成的合成膠水，可能會是效果很好的骨膠。早期試驗顯示，斯圖爾特研製的膠水無毒、可生物降解，而且強度是超級膠水的兩倍。

3.海參的秘密武器

海參獨特的皮膚結構最近引起了科學家的注意。海參是最出色的食腐動物，它們沿海床慢慢前行，把途中遇到的食物殘渣清掃一空。雖然緩慢的步調和柔軟的肉體似乎都促使它成為食肉動物最易捕食的對象，然而事實並非如此，因為這種像皮革一樣的動物擁有一樣秘密防禦武器：它的皮膚裡鑲嵌著一個超薄的細胞膜質纖維網。當海參受到威脅時，它會通過給這個網狀結構注入蛋白質，把纖維捆綁在一起，使它的皮膚變硬，形成一個固體結構。

凱斯西儲大學的化學家克里斯托普·維德爾(Christoph Weder)已經研發出一種生物高聚物，這種物質跟海參的皮膚一樣，可以馬上由堅硬變得非常柔軟。由於嵌入了一種纖維網，這種新穎的材料能保持堅硬狀態，不過當它遇到水時，把纖維禁錮在一起的化學鍵就會斷開，水被蒸發掉後，它又會恢復原樣。研究人員希望有一天能用這種材料取代金屬製成的植入性神經電極，因為生物高聚物電極接觸到潮濕的神經組織時，會變軟，避免對脆弱的大腦造成破壞。

4.模仿蝸牛製成自行組裝材料

有一天人們會在一些蝸牛用於保護正在發育的卵的黏性纖維物質的啟發下，研製出新型人造關節韌帶。有溝凹縫的海蝸牛(channeled whelk snail)隱藏在凹縫的一米長的卵患經常會被衝到海岸上。它們跟成串的珍珠似的，是眾所周知的美人魚項鏈。

美人魚項鏈可以吸收強烈震動，擁有三重螺旋彈性結構，因此它們能經受住強烈的海浪衝擊，不會破裂。彈性物質被拉開後，把美人魚項鏈的三重螺旋結構固定在一起的連接物開始斷開。當它被拉到一定限度，美人魚項鏈不會像橡皮圈一樣迅速彈回來。斷開的連接物會慢慢重新組合起來，逐漸還原成跟最初的強度一樣的美人魚項鏈。

科學家可以利用具有這種高減震性能的人造橡皮圈，製造人類關節和四肢裡的韌帶和肌腱，不過這些人造元素更耐磨，而且具有自癒能力。跟蜘蛛絲和其他堅韌材料不同，美人魚項鏈的蛋白質擁有自我組裝能力，這使它們更易進行大批生產。

5.抗菌薄膜 

雖然鯊魚因其鋒利無比的牙齒聞名，但是它們異常厚實的皮膚或許也會給人留下深刻印象。鯊魚的皮膚也是粗結構，因此任何動物、細菌或水藻都無法依附在它身上。鯊魚跟鯨魚不同，對喜歡搭便車的生物來說，後者的皮膚就像個磁鐵，可以讓它們牢牢"抓"住。

對佛羅里達的新興公司--Sharklet Technologies來說，鯊魚皮的這種粗糙結構是個非常誘人的"模特"，該公司已經根據自己的設計，研製出一種抗菌薄膜。這種薄膜上覆蓋著數百萬個微小的凸起物，它們像彼此相鄰的鑽石一樣排列在一起，可以粘在門和容器表面，防止細菌生長。

該公司的科學家表示，如果把它應用到醫院裡，這種薄膜可以把細菌形成的時間向後推遲長達21天。由於該薄膜沒有殺菌作用，因此不用擔心細菌會對它們產生抗性。

6.模仿蚌類的附著性製成超級薄膜

生活在潮間帶的生命可能非常骯髒、粗野，也短命。連續的浪潮拍擊、暴露在極端溫度和鹽度很高的環境下、容易被一系列貪婪的食肉動物(包括人類)捕食，因此，只有耐力最強的有機體才能在這種環境下存活下來。不起眼的蚌類就是其中之一。多虧有一種強度令人難以置信的粘合劑蛋白母體，即眾所周知的，從兩片死死粘在一起的貝殼之間伸出的足絲(Byssus thread)(通常也稱為"貽貝絲"或"貽貝的須")，蚌類才能附著在任何物體表面。

由工程師菲利普·麥瑟史密斯(Phillip Messersmith)領導的西北大學的一個科研組，已經開發出一種特殊的雙面塗層，這種塗層可模仿蚌類的附著性，用於醫學移植。用二羥基苯丙氨酸 (dihydroxyphenylalanine)製成的具有黏性的一面，用來把這個塗層附著在移植物上，二羥基苯丙氨酸是一種讓蚌類的蛋白質產生抗力的氨基酸。被聚乙二醇覆蓋的沒有黏性的一面，可防止細胞碎片堆積和細菌形成。這些細胞碎片和細菌物質可粘貼在心臟瓣膜、導尿管和其他裝置上，對它們產生污染。

7.模仿蒼蠅耳朵製成的納米助聽器

大部分蒼蠅都是利用大大的複眼追蹤食物，或者逃脫蠅拍的拍打，而小型寄生蒼蠅奧米亞棕蠅(Ormia ochracea)卻是依靠敏銳的聽力。這種雌蒼蠅的胸前有兩隻非常敏銳的耳朵，它們通過靈敏的聽力，甚至能根據數米外的蟋蟀的叫聲，精確判斷出它們的位置。奧米亞棕蠅耳朵裡兩個像皮鼓一樣的薄膜，通過胸骨柄連接在一起，胸骨柄是一種骨骼構造，它可以擴大聲音的振幅，確保該蒼蠅能精確判斷出聲音是從哪個方向發出的。

紐約州立大學-賓厄姆頓分校的工程師羅恩·米勒斯(Ron Miles)受奧米亞棕蠅的驚人聽力的啟發，開發出一套助聽工具，利用方向性微型耳麥模仿蒼蠅超靈敏的耳朵。大部分助聽器都無法避開背景噪音，然而米勒斯的小發明跟它們不同，這種新型助聽器的使用者可通過模仿胸骨柄的設計，導向目標追蹤特殊聲音和交談。得到美國國家衛生中心的國家耳聾與其他溝通失調中心資助使米勒斯信心大增，他希望這種技術能在新一代高級助聽器的研發中起到重要作用。

8.堅韌而有彈性的蛛絲

迄今為止在自然界裡還沒發現有什麼材料能像蛛絲的強度和柔韌度那麼好。這種多功能纖維，由蜘蛛的絲腺裡的一種複合蛋白質構成，通過絲腺上的噴絲頭噴出。一隻蜘蛛每天可產生多達100碼(91.44米)蛛絲。這些蛋白質裡的氨基酸的特殊布局，使它產生了一個由堅硬的結晶區和一個非結晶區構成的混合區域，這裡正是產生具有超強抗張強度和彈性的蛛絲的地方。

這些驚人特徵使蛛絲經常成為仿生學的關注對象。科學家希望能大批生產出人造版本，以便應用於工業、軍事技術和醫學(可當作一種超強縫合材料，這種材料可生物分解，而且柔韌度比纖維B大3倍)。雖然研究人員仍在繼續努力，以便實現這個目標，但是最近的研究顯示，一種絲狀生物材料可以用來製造人體骨骼。這種納米纖維的結構跟在結締組織裡發現的膠原蛋白和彈性蛋白的結構類似。這種結構使該物質成為理想的支撐材料，可用來進行血管移植，或者進行骨骼和軟骨工程學研究。