植物带来灵感 生物仿生技能为将来医学带来无穷可能

杰弗里。卡普（Jeffrey Karp）是一位生物项目学家，也是一位生物仿生的践行者。其长于用来自天然界的灵感创举冲破性的医疗技能。

作者： 年夜康健派编纂来历： 本站原创2016-11-03 01:21:30

杰弗里。卡普（Jeffrey Karp）是一位生物项目学家，也是一位生物仿生的践行者。其长于用来自天然界的灵感创举冲破性的医疗技能。日前，《卫报》撰文先容了他的事情，描绘了其正于用生物仿生技能解决人类面对的医学问题。

2005年夏日的一个夜晚，美国马萨诸塞州波士顿布莱根主妇病院（Brigham and Women s Hospital，BWH）的生物项目师杰弗里。卡普（Jeffrey Karp）于同事办公桌上发明了一本杂志。他的眼光被杂志中的蜘蛛侠全彩插页所吸引，因而坐下来最先浏览。

杂志上的这篇文章具体先容了研究职员怎样模拟壁虎四肢研发出一种新的合成质料。这类仿生质料模拟了壁虎四肢结尾的细微发丝状支柱，这些小支柱可以或许让壁虎容易粘附于物体外貌，也能够轻松与物体分隔。研究职员以为这类新质料可以制成手套，让特种作战职员像蜘蛛侠同样爬上修建物的外墙。

看到这篇文章，卡普告诉笔者， 我的脑壳最先飞速动弹 。他的第一个设法是使用这类新质料研发一种新型的医用胶带，可以替换手术中的缝合线和缝合针。由于后者可能会毁伤到伤口周围的敏感构造。其时卡普与世界知名生物项目师罗伯特。兰格（Robert Langer）互助研究怎样研发一种可降解的生物质料，以交融人体内部伤口。卡普以为，比拟在外科手术中使用的缝合线和缝合针，可降解生物质料制成的医用胶带更合用在繁杂的外科手术，譬如于胃肠绕道手术中将小肠扎于一路。

于看完杂志的第二天早上，卡普走进兰格的办公室，向兰格分享了这个发明，并博得了响应的研究资助。当其最先研究时，卡普发明仅仅依赖新质料发丝粗细支柱的磨擦力来建造胶带是远远不敷的。其虽然可以或许支撑壁虎于侧墙运动，但要想将人体构造的伤口固定，需要更强的粘附力。

当卡普试着用胶水涂抹于新质料外貌时，发明胶水渗入于藐小支柱中间，就像蜂蜜涂于了毛刷上；接下来，卡普又测验考试将质料外貌的支柱尽可能的集中于一路，可是却没有充足多的面积与人体构造接触孕育发生响应的附出力。是以，卡普又再次将这些小支柱分隔，然后测验考试对于每个支柱涂抹胶水，而不是于新质料外貌一刷了之。终极，每一当人体构造接触一个支柱，就会紧紧吸附住，如许卡普有了终极的解决要领。

马萨诸塞塔夫茨年夜学生物医学项目系主任戴维。卡普兰（David Kaplan）指出， 这是解决问题的一个好例子。 2008年，美国麻省理工学院的科技评论杂志Technology Review将卡普评为全世界35岁如下的顶级立异者之一。

现年40岁的卡普于BWH谋划着本身的试验室。其被业界誉为生物仿生学家，常常从现有的年夜天然中罗致英华以解决科学难题。壁虎医用胶带是卡普第一个有价值的发现，卡普也是以被以为是该范畴的领甲士物。卡普常常告诉公家，其乐成归功在 蜘蛛侠 。于其办公室中张贴着蜘蛛侠的海报，而卡普于演讲中也曾经穿过蜘蛛侠的T恤衫。而卡普当前的工程包孕新型外科手术钉，其灵感来自在豪猪刺。这类外科钉于皮肤中孕育发生的创口较小，可以或许避免细菌进入伤口。此外卡欧还于研发一中近似在海洋蠕虫粘性排泄物的新型外科胶水，其强度足以粘合包孕心脏于内的人体勾当器官。

出格是末了一项研究足以让卡普成为生物项目学界的一颗新星。卡普发现的不单单是一种立异理念，更是一种现实运用的产物。卡普试验室研究技能员尼克。谢尔曼（Nick Sherman）指出， 让咱们追求解决问题的体式格局时，咱们不单单是拘泥在学术，不止是揭晓文章，而是这项事情会帮忙病人吗？假如没有，那末咱们该怎样经由过程事情帮忙他们？

本年早些时辰，卡普的新型外科胶水最先于巴黎举行临床实验。与市场上其他的外科胶水差别，这类外科胶水与血液彻底不相容，是以更合用在粘合血管、肠构造以至骨骼中的孔洞。这类胶水的粘协力也更高，这象征着外科大夫可使用其来修复心脏的缺陷，而再也不需要开心手术。法国巴黎庞毕度病院血汗管外科大夫让。马克。阿尔萨克指出， 这或者将会彻底转变咱们举行手术的体式格局。

卡普试验室建立在2007年7月，其藏身于于马萨诸塞理工学院四周一座办公年夜楼三楼的一个白色移门以后。进入试验室，起首进入视野的是挂于进口四周的一套套白色试验外衣，各类医用机械、药瓶、试管、罐子、消毒用具和橡胶手套满盈了整个试验室。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储年夜学生物系传授阿诺德。卡普兰（Arnold Caplan）暗示， 虽然许多试验室都于做近似的事情但其与卡普试验室的体式格局其实不不异。

每一周三上午8点，卡普试验室的所有事情职员城市堆积到一个年夜型集会室里开会会商设法。整个试验室聘任了约25名事情职员，虽然职员学历从本科生到玻士后各有差别，但研究精力却一模一样。托马斯。昆西维茨（Thomas Kuncewicz）一年前插手卡普试验室时尚未完成本科学位，而此刻卖力两个研究工程。他告诉笔者， 每一个人的经验都有所差别，这才是最主要的。咱们的研究不存于那些愚蠢的金字塔带领布局。 卡普鼓动勉励事情职员有问题或者设法时实时与其举行电子邮件沟通。昆西维茨暗示， 假如你给他发电子邮件，于五分钟以内就会获得回应，即即是晚上11点或者是凌晨3点，你也可以于五分钟内获得回应。

试验室吸引了不少卓异的科学家，即便于植物园或者是水族馆也会思量到研究工程。几年前，卡普的一个学生从野外旅行中带回一些豪猪刺。其时卡普正于研发一种新型外科钉，其经常于被用在于外科手术中缝合那些不克不及用手缝合的敏感构造。卡普细心不雅察了豪猪刺，留意到每一根刺的结尾都有多个小尖刺，这使患上整根刺就像一把锯齿刀。卡普拿起几根豪猪刺，把其放鄙人巴上测试刺伤皮肤需要多年夜的气力，会对于皮肤形成多年夜危险。厥后卡普称， 酿成的伤口出人意表的小。

于接下来的几个月中，卡普研发了一品种似在豪猪刺的外科钉，具备近似的锯齿状结尾。其于生鸡肉上测试，发明这类钉很轻易刺入，而且创口很是小，对于周围构造的毁坏也很小。比拟之下，今朝使用的外科钉会于周围构造中酿成的创口更年夜，更易形成伤口传染。卡普试验室得到了这款外科钉的专利，今朝正于将其向市场推广。卡普以为这类新型外科钉可以显著降低手术中因外科钉创口惹起的并发症。

得到灵感的豪猪刺

对于在卡普和许多人来讲，天然界经常是解决科学和医疗问题的要害。从某种意思上说，这类要领可以或许使科学家从数百万年的进化中找出解决问题的方案，对于在卡普如许的科学家来讲，生物仿生的吸引力于在， 存于到此刻的每个活体生物都于这里，他们于进化中已经经切实解决了一些应战。现实上，咱们被年夜量的解决方案包抄着。进化是最佳的问题解决者。

纽约年夜学Courant数学研究所传授雷夫。瑞斯洛夫（Leif Ristroph）指出， 生物仿生的一个显著长处是，某种环境下赐与咱们的是现成的解决方案。固然，咱们必需搞清解决方案暗地里的机制，并确定哪些要领咱们可以或许模拟，而哪些则需要此后再实现。譬如绿叶作为天然界的太阳能电池板就是一个很好的例子：持久以来科学家于测验考试更好理解光互助用，但离咱们可以或许真正以这类体式格局网络贮存太阳能另有很长一段间隔。

近几十年来，科技的前进使患上不雅察天然更为便捷，自创模拟天然更为切确。21世纪初，日本项目师中津英治（Eiji Nakatsu）被要求解决日本铁路集团的新支线枪弹头列车持久存于的乐音问题。当列车告诉经由过程地道时，响应的气压变迁孕育发生低频波，这类低频波从地道散布开来于空气中孕育发生伟大乐音。这类乐�ֲ�APP音是云云之年夜，以至在距铁道400米的住民城市诉苦这类噪声。

中津英治既是一位项目师，也是一位鸟类学家。其转向天然思量是否有应答空气阻力忽然变迁的要领。他想到了翠鸟，这类鸟拥有长而平的喙，使其可以从空气迅速潜入水中，同时其实不会孕育发生过量的扰动。鉴在此，中津英治从头设计了新支线500系列高速列车的车头，使其更长更平，这类新设计乐成将空气阻力降低了30%.

中津英治以及新支线的故事是仿生学的经典之作。今朝诸如哈佛、牛津、斯坦福和哥伦比亚等很多世界顶尖的学术机构都开设了生物项目学课程。而世界世界生物模仿基金会以及生物模仿研究所等构造则专一在仿生学和生物立异工程的研发，譬如以白蚁巢穴为原型的无电透风体系和近似在在驼违鲸鳍状物的空气动力学风力涡轮机。

然而，即即是坚信仿生学可以或许解决诸如水资源欠缺、人口多余、天气变迁等人类最紧急问题的专家依旧以为，该范畴科学还处在起步阶段。生物模仿研究所履行主任贝丝。拉特纳（Beth Rattner）暗示， 虽然咱们可以模拟翠鸟的喙做出近似的火车头，但依旧没法彻底模拟或者复制许多生物征象。

纽约年夜学Tandon项目学院传授莫里吉奥。波非瑞（Maurizio Porfiri）指出， 生物仿生是理解天然和构想项目设计的一种手腕要领，而不是一种教条主义。 换句话说，虽然生物进化寻求的是最好的解决体式格局，从鱼翔浅底到雁落漫空莫不云云，但也都遭到详细情况以及前提的制约。即便纽约年夜学的数学家与物理学家、闻名设计师雷夫。瑞斯洛夫（Leif Ristroph）也认可，他也不克不及按照鸟类或者虫豸彻底复制出一个呆板人。他称， 很显然鸟类启示了飞机最初的设计，可是初期的飞机设计与鸟的挥舞党羽并没有联系关系。

可是，对于在卡普来讲，他其实不表示科学家可以可以间接复制天然。相反，卡普偏向在不雅察甚么对于在解决问题是有用的，并深切革新天然界的这类设计。牛津年夜学植物学系生物力学传授阿德里安。托马斯（Adrian Thomas）暗示， 仿生的要害于在对于这些可交融的天然解决方案举行阐发，然后于现有的项目学配景下哄骗这些道理。简朴地复制天然道理是过错的，由于咱们可以哄骗最佳的项目质料，做的比年夜天然更好。

虽然仅仅以生物仿生为营业的研究试验室实属稀有，但卡普试验室其实不是独一一个。2009年运营至今的哈佛年夜学Wyss生物开导项目研究所也是一个生物仿生工场，其拥有375名全人员工。迄今为止工场获取的赠款以及慈善资金跨越6亿美元。于已往三年中，Wyss研究所一共创建了15家创业公司，拥有专利数跨越15000项，规模涵盖了从医学技能到呆板人等一系列生物技能。其产物包孕自构造微型呆板人，可用在交通监控和作物授粉，此外另有监控婴儿心肺功效的床垫，可以对于婴儿呼吸举行及时监测。唐。英格尔（Don Ingber）指出， 卡普试验室研发出不少惊人的工具。但咱们的研发速率更快，咱们可以或许负担的危害更年夜，也更有可能于技能以及贸易上取患上乐成。

但营业量其实不是卡普的方针。当试验室建立时，卡普以为其可使用生物仿生学解决细胞迁徙的相干问题，这是关在细胞于生物构造周围挪动帮忙构造天生、伤口愈合和免疫反映的相干问题。同年，于一次生物医学集会上，有人告诉卡普独一感乐趣的工具是其演讲中所提到的壁虎胶带。卡普称， 所有人都于问我关在这类新型医用胶带的环境。以是我思量到，也许我应该仅仅存眷在医疗装备，这是一件让人高兴的工作。

2009年8月份的一个夜晚，卡普收到一封来自在波士顿儿童病院心脏外科专家Pedro J del Nido的电子邮件。Pedro J del Nido于对于天赋性心脏缺陷患者举行心脏手术时碰到了一个难题，其难以密闭心脏上的孔洞。每一当Pedro J del Nido试图缝合心脏上的缺口时，周围的构造就会扯破。他于卡普的论文中相识到了壁虎胶带，是以想向卡普追求帮忙研发一品种似的产物帮忙医治他的年青患者。

这为卡普带来了一种新的应战。虽然壁虎胶带可以密封诸如胃肠道之类的人体构造，但却没法密封心脏。由于心脏不是静止的，因为血液不停流进流出，其运动很是剧烈。任何一种粘合剂的强度必需要充足年夜。卡普开初想搞清晰外科手术胶水是否有助在解决Pedro J del Nido所碰到的难题。手术胶粘合手术伤口的速率更快，出格是于不毁伤周围敏感构造的环境下，其比缝合更为有用。但现有的外科手术胶于年夜量血液中没法起到粘互助用，也没法粘合运动中的人体构造。此外手术胶另有迫害的副作用，会于身体内开释甲醛。而粘应时间也需要三十多分钟。但对于在外科大夫来讲，患者躺于手术台上的时间越少，手术乐成率就越高。

卡普告诉Pedro J del Nido，他会研发一种新产物。但实在他其实不知道该怎样着手。壁虎胶带仅仅是一种学术发现，还于老鼠身上做过试验。但Pedro J del Nido所需要的是用于人体心脏上的新产物。卡普意想到，假如要帮忙Pedro J del Nido，那他就必需与那些将发现观点转换成产物的人举行深切交流。卡普指出， 学术发现其实不能间接帮忙患者，由于其过在繁杂，致使咱们其实不能以适合的成本举行批量出产。是以试验室仅仅是第一步。

卡普决议要成立本身的瓜葛网，此中要包孕企业家、危害投资者、专利状师、羁系机构卖力人和相干的参谋以及营业司理。这些精英会引导卡普将发现产物化。于接下来的两年内，卡普不停与波士顿周边的风谋利构碰面，到场本地状师事件所、生物技能公司援助的各项勾当。他于天下各地飞来飞去，向各个公司推介其发现。卡普暗示， 我想做的是接触更多的人，把我的设法以最倏地度经由过程电子邮件发送给准确的人，然后实现它。

本年6月下旬的一个上午，笔者伴随卡普观光波士顿的新英格兰水族馆。与科学家打交道老是拒人千里、稍显难堪，但卡普看起来更为和蔼可掬。他瘦高个儿，留着稀稀落落的髯毛，经常喜欢用打趣来化解冗长的科学注释。他常常如许说， 假如感觉我太无聊，就打断我。 卡普还喜欢经由过程图表来注释本身于说甚么。卡普试验室的研究员谢尔曼告诉我， 他是那种很是可贵的科学家之一，可以与任何人举行深切交流。 卡普以及高中生的谈话差别在其以及玻士研究员的谈话，也差别在以及其他大夫的谈话，但都能让人愉悦理解。

卡普出生于安粗略省的彼患上堡，于他八岁时辰搬进了县郊的屋子里。这是他第一次住于郊野，那里有一个水牛农场以及一个绵羊农场。屋后有一条小溪，卡普家的地盘始终伸张到丛林边沿。卡普告诉笔者， 我会于子夜醒来，看到草坪上有狼的眼睛。

卡普喜欢走进丛林找蛇。再年夜一点，他会跑去捕获田鸡。他也习气了黄昏时于马路边看狐狸，或者是听到四周灰色猫头鹰的啼声。卡普说， 对于在一个此前没有甚么年夜天然印象的孩子来讲，于郊区的糊口是一个很年夜的迁移转变。这是我从来不知道的全新世界。

于水族馆里，卡普带笔者来到一个重大的荧光水箱旁，内里装满了狮鬃水母，这是世界上体型最年夜的水母之一。其躯体像一个钟形罩，直径可以到达八英尺，触角彻底舒展开可以到达100英尺。卡普指出， 每每起首呈现的是问题，而不是解决要领。 他看着狮鬃水母说， 咱们不是坐于水母眼前想， 咱们能按照这些水母研发如何一种医疗装备？ 而是咱们有一个问题需要解决，而这些水母可能可以或许帮忙咱们。

狮鬃水母

几年前，卡普最先经由过程水母测验考试革新现有的血液阐发装配。这类血液阐发装配重要用在检测肿瘤手术以后的癌细胞是否会发生转移。这类装配近似在一个SIM卡巨细的矩形芯片，其底部排满可以或许附着癌细胞的响应抗体。血液流经装配顶部，可以或许于显微镜下不雅察出装配内部是否有癌细胞被捕捉。

于初期，这类装配的问题于在血液样本流速太快而又间隔底部的抗体过远，致使没法检测到癌细胞的存于。厥后人们对于产物举行革新，缩短了装配顶部的底部之间的间隔，但也缩小了流经的血液样本数目，依旧不克不及得到正确的成果。

卡普想追求一种要领可以或许是血液中的癌细胞减慢并附着于抗体上。是以，卡普按照水母触手开发了一种DNA合成的触手取代底部抗体。这类触手约莫是人类头发粗细的十分之一，融进了癌细胞捕获剂，可以或许舒展开捉住癌细胞。于初期的测试中，卡普发明其新设计可以将血液流量增长十倍，从而更正确地检测中血液中的癌细胞。

2011年头，卡普要求其一位研究生玛丽亚。佩雷拉（Maria Peraeir）协助他追求外科手术胶的解决要领，以粘合Pedro del Nido于心脏手术中的孔洞。佩雷拉称， 咱们对于这个问题的界说是，追求一种不受血液影响的粘合质料，同时易在实现以及具备微创性。一种外科大夫可以便捷运用的产物。

按照卡普的理念，佩雷拉最先于天然界中追求解决方案。她于试验室集会中要求人们经由过程电子邮件奉告天然界中湿润生物的观点或者是图片。她接管到了年夜量关在鼻涕虫和蜗牛的图片。卡普暗示， 咱们最先思索，下雨的时辰蜗牛是怎样贴于叶子上的。为何他们留下的陈迹不会被雨水冲洗失？那些排泄物是甚么？

有一天，有人向卡普以及佩雷拉发送了一个关在沙塔蠕虫研究论文的链接。沙塔蠕虫糊口于加利福尼亚海岸的浅水区，可以或许排泄一种黏性物资。沙塔蠕虫哄骗这类黏性物资来将碎壳以及沙粒粘于一路构建水下巢穴。这类黏性物资排斥水，且可以或许确保其巢穴蒙受波浪的打击。

卡普以及佩雷拉最先想象如许一种产物，这类液体手术胶可以或许粘合各类器官，具有生物降解特征且不溶在血液以及水。

2013年，卡普于巴黎生物技能公司董事长伯纳德。吉祥（Bernard Gilly）的协助下配合开办了Gecko生物立异公司。佩雷拉厥后担当了该公司的研究主管。

于接下来的时间，佩雷拉以及卡普测试了研发的各类胶水。每一种胶水的粘度都略有差别。一些品种的胶水过在稀软，不敷黏稠；而有一些胶水又是云云黏稠，不易被运送到将要粘合的构造。并且，胶水仅仅附着在构造的外貌还不敷，其必需要渗进构造内部才气造成安稳的粘合效果，避免空气或者血液的渗入。这时候，卡普想到了常青藤是怎样附着于修建物侧面的。这类动物的根须寻觅修建物上的裂痕，然后排泄一种粘性物资将根须向差别标的目的分离。根须最先螺旋状卷起，并将动物固定到更高的位置。卡普指出， 有些品种的手术胶与常青藤的生长很是相似，由于它可以或许渗透到构造中。

此外，卡普以及佩雷拉还开发了一种笔形装配，其可以或许发射与粘合剂反映的LED可见光芒，外科大夫于使用外科胶水以后可以用这类装配让胶水起到粘互助用。

卡普起首于年夜鼠以及猪体内测试了各类差别类型的手术胶水。而终极产物的降生彻底是偶尔的。开初卡普以及佩雷拉于波士顿儿童病院举行植物试验，于一只活的年夜鼠心脏上开了一个洞，然后测试用固态胶水制成的补钉来封住这个孔洞。可是孔洞上流的血太多，致使卡普的LED光笔没法起到作用。

这时候佩雷拉最先测验考试液体胶水。她把液体胶水涂抹于年夜鼠心脏的孔洞处，卡普随着用LED光笔举行处置惩罚。卡普指出， 效果呈现了。这类液体胶水排斥血液，彻底将孔洞粘合起来。咱们于没有缝合的环境下彻底密闭了这个孔洞。 六个月后，卡普哦佩雷拉查抄了这只年夜鼠，一切生长精良。其心脏上的胶水跟着孔洞的不停愈合而于降解。

去年春季，卡普于一次半正式的学术集会Zoobiquity上先容了这类液体胶水。集会竣事后，一位名为威廉。罗森布拉德（William Rosenblad）的植物大夫找到卡普，问其是否情愿用这类外科胶水为一只斗牛犬治病。罗森布拉德用各类要领为这只名为Little Papi的斗牛犬医治口鼻瘘病，这是一种猫狗常见病，致使口腔中有一个年夜孔洞通向鼻腔。卡普指出， 他看起来很火急。他只是说， 尽快把液体胶水给我 。

卡普哄骗来自沙塔蠕虫的灵感发现的胶水

一周之后，罗森布拉德用这类胶水密封了Little Papi嘴里的孔洞。两周之后，罗森布拉德以及卡普举行了随访，查抄了斗牛犬的嘴，看到胶水起到了效果，孔洞彻底被密封起来。斗牛犬的主人很是冲动，卡普说， 他不停反复， 你转变了我的糊口 。

本年3月份，Gecko于乐成召募到2250万欧元以后，最先于巴黎的四家病院中举行手术胶水的临床实验。卡普于36名患者身上测试这类胶水，此中年夜部门患者举行了血管重修手术，患者的血管被切开举行清算或者扩大以让血液更好的流动。外科大夫让。马克。阿尔萨克（Jean Marc Alsac）暗示，试验显示出这类胶水的止血速率很快，此外祸者于术后三个月并无甚么不良反映。

卡普规划在来岁于美国各地举行临床实验。他但愿这类外科手术胶水能成为外科手术装备中的必备品，可用在削减患者的手术时间和并发症。卡普还但愿这类胶水可以或许用在微创手术中。卡普指出， 今朝外科手术中对于人体构造的干涉干与过量，而这类胶水粘互助用可以削减对于人体构造的干涉干与。

而这类胶水的普及也有助在提高生物仿生于医学技能中的职位地方以及作用。卡普指出， 其别人看到近似的乐成例子，也会去测验考试。开初，我并无真正把生物仿生作为一种东西，其仅仅是一个自力的工程。我并无意想到这类要领有何等强盛。

本年夏日，笔者拜访Gecko巴黎总部时，说起这类液体胶水是怎样事情的。佩雷拉用一个打针器抽取了一点胶水，这是一种黏稠的黄色液体。她拿起一块通明橡胶，于其外貌滴了一滴胶水。她说， 让咱们假定这是体内分裂的血管， 她用一根细金属棒将胶水涂抹子橡胶外貌，然后拿起LED光笔照射了五秒钟。佩雷拉把橡胶递给我， 这里，感触感染一下。

胶水已经经于橡胶外貌造成了柔性涂层。笔者把玩了一会，问佩雷拉是否可以于本身身上测验考试使用这类胶水。佩雷拉笑着摇摇头， 你还需要等候。

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2周前