仿生医学——一个新的医学理论体系的创立

医学发展呼唤原始性创新。大自然是人类创新的不竭源泉,国际上仿生学研究如火如荼。为了强化将仿生方法、仿生技术贯穿到科研创新的全过程,引导医学科技人员巧妙寻找源头创新,率先提出创立仿生医学体系,并初步建立起仿生医学的学科框架,以便更好地把握学科前沿和判断发展趋势,为我国在仿生医学学科领域的领先作用奠定重要基础。

一个新的医学概念——仿生医学

包括人体在内的生物机体,都具有自身的防御、免疫、修复功能.凭借这些重要功能,保证了机体和内外环境间的平衡.医学对于人体的所有防治措施也都是通过这些功能而实现的.本文首倡"仿生医学"概念,使我们的预防医学和临床上的一切医疗措施更加贴近生态本质.运用仿生医学观点吸取当代科学、特别是生物科学和医学科学的最新成就,促进传统医学与现代医学的有机结合,倡导我国独特的仿生医学.

从自然界获取科学创新的灵感科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学,即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征,并将它们应用于技术系统,以改善现有的技术工程设备,创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学,是应用生物学的分支,是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理,将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造,或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛,小至微观世界的分子仿生,大至宏观世界的宇宙仿生,主要包括:(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等,研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等;(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运功控制、定向与导航等,研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等;(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动,运用机械结构和力学原理,研制昆虫步行机等机械装置,寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理;(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等;(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外,还在研究建筑仿生、农业仿生等。

仿生学在现代医学工程中的应用及进展

大自然是人类进行理论探索、方法创新、工艺改进和技术发明的不竭源泉。经过地质历史时期的漫长生命进化和协同演化,不同的生物类群从多个方面(微观/中观/宏观结构、形态、生理、生化、行为、代谢、机能等)适应自然环境,拥有形态各异和性能卓越的复合结构、化学成分、表面特性等,为仿生设计与制备提供了优异的复制模板,在生物医学工程、表面抗污、工农业生产、传感技术、减摩降阻、减黏脱附等方面日益引人注目,具有重大的现实意义和推广价值。

仿生学在脊柱外科中的应用

脊柱仿生治疗是应用仿生学理念,通过各种现代技术、材料和设备模仿脊柱的自然解剖结构和生理功能,从而治疗脊柱疾病。为最大程度修复或保留脊柱解剖结构及功能,脊柱仿生治疗尝试采用可动性脊柱内植物,在一定程度上保留脊柱活动功能,减轻邻近节段退变,降低内固定断裂的发生率,提高远期疗效;其次,借助三维打印技术,制作个性化假体,填补形态复杂缺损的脊柱结构,还可制作生物支架及带有抗肿瘤药物的功能性假体,既能实现脊柱解剖仿生和功能仿生,且可作为抗肿瘤药物疗效的倍增器;再次,在脊柱矫形支具的设计和制造方面,通过计算机辅助设计与制造技术,使脊柱矫形支具更为舒适、矫形效果更好且更符合人体工程学特点。虽然如何将仿生学理念及相关技术运用到脊柱外科诊疗当中,目前尚无定论,亦无相关诊疗指南,但可预见的是,随着医疗技术的不断发展,脊柱仿生治疗的内容将会逐渐丰富和完善,成为脊柱外科疾病诊治过程中攻坚克难的有力武器。