來(lái)自深海的秘密

謝雨桐/編譯

來(lái)自深海的秘密

謝雨桐/編譯

蚌類(lèi)的黏線(xiàn)鼓舞著科學(xué)家創(chuàng)造能在水下使用的膠水

●修復(fù)骨折的膠水背后的秘密來(lái)自于蚌類(lèi)黏附于光滑巖石的作用原理。

15年前，當(dāng)在潛水時(shí)被海水沖離加州海岸時(shí)，喬納森·威爾克(Jonathan Wilker)被周?chē)卫钨N合在巖石上的蚌類(lèi)所震撼。威爾克是一個(gè)化學(xué)家和材料工程師，他很驚訝軟體動(dòng)物是怎么能夠依附上的。尤其是，他在想蚌類(lèi)是如何在水下形成強(qiáng)力粘附性的聯(lián)結(jié)的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的人造膠水需要完全干燥的表面才能使用。這個(gè)想法激發(fā)他開(kāi)啟了探索海洋聚合物的漫長(zhǎng)旅程，這也成為了他化學(xué)研究的基礎(chǔ)。

威爾克在他的尋求之路上并非形單影只。很多其他科學(xué)家也被天然聚合物所鼓舞，引起了全球性的對(duì)制造一系列如膠水、結(jié)構(gòu)部件和應(yīng)用于醫(yī)療或工業(yè)領(lǐng)域的智能靈敏材料的探索。

威爾克從加州的蚌類(lèi)身上吸取的經(jīng)驗(yàn)幫助了他同位于美國(guó)印第安納州西拉法葉市普渡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)一起在完全處在水下的表層上建立連接。雖然市面上已經(jīng)存在合成的水下粘合劑，但威爾克說(shuō)初步的測(cè)試結(jié)果表明他的團(tuán)隊(duì)制造出了更強(qiáng)的產(chǎn)品。一些研究者開(kāi)發(fā)出的仿生聚合物膠水現(xiàn)在已經(jīng)可以投入生產(chǎn)和銷(xiāo)售了。威爾克一個(gè)特殊的興趣是用膠水來(lái)修復(fù)傷痕。當(dāng)他在演講中展示他所做工作的醫(yī)學(xué)潛力時(shí)，常常會(huì)問(wèn)，“如果我們不需要手術(shù)縫合，只需要用膠水把你粘回原樣，不是更好嗎？”在他的辦公室里，他說(shuō)希望找到可以修復(fù)骨折并比骨頭本身更強(qiáng)韌的粘合劑。這就解釋了為什么他的辦公室里會(huì)飄來(lái)隔壁鋸骨頭的噪音。他停下來(lái)去關(guān)門(mén)，并為有些“令人惡心”的聲音道歉，接著又滿(mǎn)懷熱情地開(kāi)始討論利用從蚌類(lèi)和牡蠣身上得到的靈感制作出能在潮濕環(huán)境中使用的膠水的可能性。

河蚌蛋白質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)

蚌類(lèi)黏附性的秘密是它們不同尋常的蛋白質(zhì)分子。特別的是，當(dāng)把氫氧基添加到從酪氨酸的蛋白質(zhì)鏈中凸出的六個(gè)碳環(huán)里時(shí)，許多酪氨酸一類(lèi)的氨基酸被轉(zhuǎn)換成了3，4-二羥基苯丙氨酸。這種修正使得蛋白質(zhì)鏈的交叉連接得以形成，同樣也能形成膠水。威爾克的實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)天然形成的鐵也和一種迄今還沒(méi)有完全理解的有機(jī)-無(wú)機(jī)膠水的形成有關(guān)。

為什么不直接從蚌類(lèi)、牡蠣或其他動(dòng)物身上提取出膠水呢？威爾克說(shuō)這是不可行的：每個(gè)動(dòng)物身上只有少量的粘合物，所以不能進(jìn)行大規(guī)模的提取。威爾克用實(shí)驗(yàn)室中改良后的聚苯乙烯形成的合成高分子來(lái)模仿蚌類(lèi)中長(zhǎng)長(zhǎng)的蛋白質(zhì)鏈，并把類(lèi)似于多巴的分子群附著上去來(lái)模仿蚌類(lèi)膠水在濕潤(rùn)環(huán)境下的交叉連接功能，從而解決了這個(gè)難題。最后產(chǎn)生的聚合物與更簡(jiǎn)單的化學(xué)物，比如從天然的蚌類(lèi)膠水中發(fā)現(xiàn)的鐵，進(jìn)行結(jié)合來(lái)創(chuàng)造出一系列粘性物質(zhì)。

威爾克說(shuō)，“我們現(xiàn)在擁有從某種程度上比超強(qiáng)力膠水更厲害的黏性物?！边@些黏性物的醫(yī)學(xué)應(yīng)用需要嚴(yán)格的安全檢測(cè)和生物相容性測(cè)試。2014年底做出的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了他們的黏性物對(duì)成長(zhǎng)中的細(xì)胞無(wú)毒，從而邁出了有希望的第一步。這些膠水現(xiàn)在正在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行黏結(jié)軟組織和斷骨的試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)在工業(yè)上的應(yīng)用，例如黏結(jié)建筑物、汽車(chē)，甚至是人造指甲比在臨床上的應(yīng)用進(jìn)步快得多；考慮到這一點(diǎn)，威爾克在2014年成功申請(qǐng)了這項(xiàng)新型聚合粘結(jié)劑的專(zhuān)利。他說(shuō)：“我們現(xiàn)在需要和工業(yè)上的合作伙伴保持緊密聯(lián)系?！辈⑻岬剿F(xiàn)在正給多個(gè)公司送去他的膠水樣品以供測(cè)試。如果結(jié)果如意的話(huà)，人造的蚌類(lèi)膠水很快就能應(yīng)用到工業(yè)，以及最終的藥用領(lǐng)域。

研究海參幫助科學(xué)家們開(kāi)發(fā)高級(jí)的腦電極

海參的敏感性

不僅是只有蚌類(lèi)和牡蠣激發(fā)了物質(zhì)科學(xué)家們的興趣，研究者們正在探索經(jīng)過(guò)進(jìn)化后的海參表現(xiàn)出來(lái)的多種防護(hù)性特征。當(dāng)受到捕食者攻擊時(shí)，一些生活在海底的軟體動(dòng)物會(huì)自動(dòng)地迅速變硬從而消除天敵捕食的興趣。海參能夠做出可復(fù)原的變形，因?yàn)樗鼈儞碛幸环N天然的混合著膠原蛋白纖維的軟母體。在母體中調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)分子可以改變膠原纖維之間交叉連接的數(shù)目，從而使海參可以迅速地在軟體和硬體之間切換。

杰弗里·卡帕多納（Jeffrey Capadona）和他的同事們意識(shí)到如此多變的靈活性正是他們研制更佳的植入大腦的微電極所需要的。卡帕多納是俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的生物材料科學(xué)家，也是當(dāng)?shù)孛绹?guó)退伍軍人事務(wù)部醫(yī)療中心的神經(jīng)學(xué)工程師。他的研究主要集中于接收大腦信號(hào)并將其返回大腦或是其他身體部位的移植手術(shù)。包括凱斯西儲(chǔ)大學(xué)許多臨床研究員在內(nèi)的科學(xué)家們的一個(gè)關(guān)鍵長(zhǎng)期目標(biāo)是修復(fù)殘疾人的運(yùn)動(dòng)技能，甚至是提高他們的認(rèn)知功能。他們研究對(duì)象很有可能是包括老年癡呆癥以及其他硬化癥在內(nèi)的典型病癥。

當(dāng)傳統(tǒng)的硬電極移植到大腦之后，它們就可以破壞組織結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致炎癥。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)一種靈活的具有生物兼容性的物質(zhì)來(lái)解決，但是它很難被嵌入大腦?？ㄅ炼嗉{說(shuō)，“我們需要一種在嵌入大腦之前很硬，但一旦嵌入之后就會(huì)變軟的物質(zhì)?！焙⒌慕Y(jié)構(gòu)隱藏著一種可以環(huán)繞細(xì)金屬電極并改變其硬度的基質(zhì)模型。

卡帕多納和他的同事們?cè)诮Y(jié)合了名為“聚乙酸乙烯酯”的合成高分子之后，研制出了被他們稱(chēng)作“胡須”的纖維素微纖束系統(tǒng)。這種“胡須”在干燥的時(shí)候是堅(jiān)硬的（交叉連接中的氫鍵使纖維素保持半晶體狀），但是一旦嵌入大腦并吸收水分之后，它就會(huì)膨脹并變得柔韌?？ㄅ炼嗉{解釋說(shuō)硬度變化和膨脹度的控制是很關(guān)鍵的，這不僅僅是在軟硬之間切換的問(wèn)題，“這也是為什么我們向大自然尋求獨(dú)特設(shè)計(jì)的靈感?！?/p>

研究者們正在老鼠身上嘗試將電極嵌入“胡須”中，以期很快將該試驗(yàn)轉(zhuǎn)移到非人類(lèi)的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物身上，并最終應(yīng)用于人類(lèi)?！敖Y(jié)果證明，這是減小組織破壞和發(fā)炎的最成功的方法之一。”卡帕多納說(shuō)道，他最新的研究成果具有可以忽略不計(jì)的發(fā)炎情況和神經(jīng)元的丟失率。不過(guò)，迄今為止所做的唯一試驗(yàn)是在麻醉的老鼠身上做的短期試驗(yàn)?？ㄅ炼嗉{說(shuō)他的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在必須著手更長(zhǎng)期的研究。

盡管卡帕多納主要研究的是腦機(jī)接口的功能性電極，他也設(shè)想將該技術(shù)應(yīng)用于不太復(fù)雜的醫(yī)療領(lǐng)域。比如說(shuō)，導(dǎo)尿管及其支架就要求在嵌入時(shí)是硬的，一旦就位后就需要變得靈活。他的含有聚合物的合成材料甚至還吸引了一些玩具制造商的興趣。他不確定玩具設(shè)計(jì)者腦中的想法是怎樣的，但他說(shuō)，“去推測(cè)一下是很有趣的事情?！?/p>

堅(jiān)韌靈活的水凝膠

許多關(guān)于仿生高分子的研究中都包含了水凝膠——它由高分子鏈構(gòu)成，能隨著條件改變靈活自如地吸收或釋放水分。關(guān)于它的應(yīng)用，可以從日常生活用品，例如高吸收能力的尿不濕，擴(kuò)展到最前沿的醫(yī)療領(lǐng)域，如修復(fù)傷口，保證仿生移植物良好地與身體兼容等等。來(lái)自于澳大利亞悉尼大學(xué)的生物工程師法里巴·鄧甘尼（Fariba Dehghani）根據(jù)天然明膠和一種能夠重造骨骼的合成高分子混合物，研究出了仿生水凝膠。在試管實(shí)驗(yàn)中，這種水凝膠為修復(fù)骨折或重塑四肢的骨細(xì)胞提供了生長(zhǎng)環(huán)境。壓縮和張力測(cè)試的結(jié)果使得鄧甘尼有信心聲稱(chēng)他的水凝膠可以承受巨大的壓力，并應(yīng)當(dāng)評(píng)估為骨骼再造的應(yīng)用材料。

除了為細(xì)胞生長(zhǎng)提供基質(zhì)外，許多天然生物聚合物的另一個(gè)重要特征是能夠?qū)Υ罅坎煌拇碳の镒龀龇磻?yīng)。在復(fù)制這種能力的過(guò)程中，一些研究者們正在發(fā)展能夠模仿活組織對(duì)化學(xué)刺激做出膨脹或收縮反應(yīng)，并能夠隨溫度、pH值、電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度、亮度的變化而變化的水凝膠。來(lái)自加州大學(xué)圣迭戈分校的仿生材料和干細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)室的生物工程師塞尼·瓦吉斯（Shyni Varghese）說(shuō)，在應(yīng)對(duì)這些刺激的反應(yīng)中，水凝膠可以幫助完成各種有用的動(dòng)作，如釋放藥物，開(kāi)合植入的閥門(mén)和支架，以及修復(fù)傷口等等。

“大自然是我們創(chuàng)造具有多功能和多特性的刺激-反應(yīng)型水凝膠的真正導(dǎo)師。”對(duì)當(dāng)今和潛在的應(yīng)用做出綜述評(píng)論的合著者瓦吉斯這樣說(shuō)道。他強(qiáng)調(diào)目前大部分的進(jìn)步仍處在概念驗(yàn)證階段，為了舉例說(shuō)明目前的技術(shù)即將走向市場(chǎng)，他引用了一類(lèi)被稱(chēng)為“泊洛沙姆”的即將用于藥物傳輸領(lǐng)域的感溫聚合物。瓦吉斯指出，用于胃穿孔的自動(dòng)調(diào)節(jié)性胰島素輸入設(shè)備和水凝膠密封劑都是走出實(shí)驗(yàn)室并應(yīng)用到臨床領(lǐng)域的實(shí)例。

許多研究者從實(shí)驗(yàn)室邁向商業(yè)領(lǐng)域要面臨的重大挑戰(zhàn)是做大量的現(xiàn)實(shí)研究并獲得安全許可證，威爾克指出擁有正確的技術(shù)只是該過(guò)程中的一部分，他說(shuō)：“你需要有好員工，好的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境以及在合理時(shí)間范圍內(nèi)的合適投資者。”對(duì)于威爾克和其他研究者而言，所有的研究力量正在匯聚起來(lái)使得仿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。在威爾克進(jìn)行艱難但是鼓舞人心的潛水過(guò)去多年之后，他希望能在不遠(yuǎn)的將來(lái)成功潛入波濤滾滾的市場(chǎng)急流中。

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]