1960年，美国召开全球第一届仿生讨论会。空军少校J.E斯蒂尔在会上提出，将这门学科正式定名为“仿生学(Bionics)”——复制自然和从自然获得想法。

迄今为止，自然界生物具有的功能比任何人造机械都优越得多，仿生学就是要在工程学上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能给与机械设计等方面很大启发。

意大利理工学院研制仿生手 可恢复90%手部功能

图片/网易新闻 陈根

仿生学的研究内容随着现代科学技术进步不断得到丰富和发展，在电子仿生、机械仿生、建筑仿生、信息仿生等方面都取得了很大成果。

随之而来的材料、硬件等产业开发更加丰富了仿生学研究的方向，本篇结合回顾前人在医用仿生材料方面所做工作，从再生医学角度出发，研讨仿生骨材料在不同修复场景下的应用空间与市场前景。

脊椎动物骨经过数亿万年生物进化而来，主要成分为水、有机物和无机物。

其中有机物约占骨重量35%，包含95%的I型胶原纤维和5%的无定型基质。无定型基质呈凝胶状，为蛋白质和多糖复合物，其中包括硫酸软骨素、透明质酸等成分。市面上常见的口服类氨糖、软骨素大多包含此类成分，可作为特定人群的膳食补充剂。

无机成分约占骨质量的60%~70%，主要成分为羟基磷灰石（HA），此外还包含非晶磷酸钙（ACP）、磷酸八钙（OCP）、二水磷酸氢钙（DCPD）等，这些成分常被认作为磷灰石的前提相存在。

骨中的有机相与无机相晶体间巧妙组装，使骨具备一定力学性能，其强度和韧性并存且非普通磷酸钙所能相比。研究表明，人骨的力学性能主要包括四个方面：

①弹性常数，杨氏模量、泊桑比、剪切模量

②黏弹性性能

③动力性能

④抗压强度

随着工作和生活节奏加快，因车祸、坠落等意外造成的高能损伤增多，由创伤或继发性感染导致的骨（含骨软骨，下同）缺损治疗方式不断优化演进。常规治疗手段包含为内源骨修复与外源骨修复。

·内源骨修复虽可排除异体反应，但缺陷同样明显——自体骨量有限，只能移植限定部位和限定体积，且提取与植入过程增加了患者多处手术的风险和痛苦感受。

·外源骨修复使用体外材料，多为合成有机高分子、合金金属，非人源材料的修复效果较差，容易诱发二次感染。

骨软骨缺损治疗手段包括同种异体移植、激发骨髓再生修复及清创术，异体移植涉及免疫排斥和疾病传播问题，而激发骨髓再生修复只是临时的姑息手段，难以完全治愈。植入支架逐渐成为行业新的研发趋势。

3D打印技术制备陶瓷骨支架

图片/3DSCIENCEVALLEY

骨组织工程材料主要包含生物材料、干细胞和生长因子，已有一些支架材料作为骨和软骨缺损的再生填充物，如羟基磷灰石（HA）和间充质干细胞、重组人骨形态发生蛋白、磷酸钙 骨结合蛋白及聚乳酸-羟基乙酸共聚物等。除制备仿生骨材料外，HA还可作为涂层覆盖在合金支架表面，解决相容性问题的同时加速诱导骨细胞生长。

羟基磷灰石（HA）的涂覆应用

图片/搜狐 中国粉体网

综合考量机械力学、可控降解、生物相容等生长属性，组织工程学材料被用一类作优质的外源骨修复材料。在仿生学基础上结合多能干细胞、生物大分子研发制备，促进、诱导植入部位新骨生成。研究表明，以组织工程学材料作为研发方向，不但有望降低治疗中对自体骨的需求量，甚至可以部分或全部替代自体骨组织。

骨的上述精细结构与性能赋予仿生骨科技更多的应用可能，1972年，Hideki A和Jarcho M实现了羟基磷灰石（HA）的独立合成，将其应用于骨修复手术和骨替代材料中，这也是世界最早诞生的仿生骨科技。

当时，HA材料凭借良好生物相容性，在骨修复材料界迅速扩大体量。但其力学性能欠佳，脆性高，骨诱导作用弱，后人在此基础上不断通过各种方式进行改进，进一步针对再生医学领域实现材料优化。

羟基磷灰石

图片/搜狐 中国粉体网

诞生初期，仿生骨主要以成分仿生和结构仿生为主，随着技术发展，添加有机/无机纳米分子、生物大分子、植物蛋白、多肽等制备而成的HA复合材料被大量研发并应用于骨科治疗。

科学家将合成纳米HA/胶原复合骨替代材料用于骨髓腔修复治疗，发现这一材料既可诱导骨组织再生，也可被骨内部吸收，实现损伤或病变骨组织的永久性修复。与此同时，材料还具备天然骨非常接近的的成分与微结构组成，无论是降解产物还是吸收率均符合人体长期植入标准。

除此之外，还有学者将氢氧化钙悬浊液、胶原、硫酸软骨素以一定比例混合，在形成的三维结构表面制得纳米级微晶HA，在不同材料的结构表面呈现不同衍射角度，所制成的的HA具有不同的空间结构和排列方向，这种纳米级微晶HA材料与天然骨中的微晶HA结构极为相似，目前科学家以此为基础进行仿生介入，通过改变纳米级HA在胶原或硫酸软骨素中的排列方向和结构，配合3D打印技术，制备真正的生物骨材料。

化学合成材料难以完全规避相容性问题，纳米纤维、生物纤维材料逐渐成为近两年科研追逐的热点。其中主要包含两方面研究。

①仿生骨“智能”生长载体，以分子识别信号诱导生长，通过自组装形成HA微晶材料。与此同时，将所需成分“携带”在载体表面，不但可以提前构建细胞生长微环境，更可实现定向功效的开发。

②涂覆于植入体内的金属基材料外层，实现可控降解，解决组织相容性问题（负重部位的骨组织修复对材料机械强度要求较高，当前多以金属基材料植入方式为主）

蚕丝是自然界里非常丰富的原材料，蚕丝蛋白具有极好的生物组织相容性，降解产物无毒性。此外，其降解速度可控，具有较高强度、韧性、透湿性和三维孔隙结构。目前，美国FDA已批准其可作为韧带和肌腱组织修复材料，并在商业市场上推广。

丝素蛋白是天然蚕丝经脱胶工艺后得到的生物大分子，是蚕丝蛋白的主要构成元素，除本身具备的功效蛋白属性外，还是一种具有力学性能的可溶性结构蛋白，是制备各类临床支架的天然蛋白材料。

丝素蛋白包含无卷曲、silkⅠ、silkⅡ、silkⅢ四种结构，其中silkⅠ、silkⅡ构型可从溶解状态的丝中获得。

·SilkⅠ结构包括无规线团与α-螺旋，亲水性好不易沉淀，形态较为稳定，常在浓溶液中获取。

·SilkⅡ构型在稀溶液中获取，结构呈现反平行β-折叠，相邻链段的分子内氢键及分子间引力使他们结合非常紧密，抵抗外力拉伸的能力强，因此丝素蛋白具有较好的可溶性+生物力学性。

作为一种结构蛋白，高纯度丝素蛋白常被用于制备成多孔、膜状、管状等形态的材料，可实现多元化的功能/结构/空间设计。将其应用在骨修复方面，与羟基磷灰石（HA）结合形成复合材料，可弥补单纯HA存在的压缩强度低、抗疲劳度差、替代速度慢，植入后在体内出现疏松、迁移扩散产生的破坏性问题。

丝素蛋白内富含的羟基与羧基能与钙离子紧密结合，诱导HA在丝素蛋白上形成矿化微晶，制备自组装纳米复合材料。这便是前文中提到的“仿生骨「智能」生长载体”。

与此同时，研究还发现丝素蛋白对软骨细胞具有良好吸附作用，可在修复过程中维持软骨细胞正常的形态和功能。以此为依据，或可通过冷冻干燥、高压静电纺丝等工艺，实现在体外制备软骨细胞天然支架。这也是将丝素蛋白作为仿生骨材料的重要依据。

优化方面，科学家将丝素蛋白与其他可吸收类材料——如聚丙交酯（PLA）、聚已内酯（PLC）、聚乙交酯复合丙交酯（PLGA）结合，使其具备更加优秀的力学性和原料延展性。

延展性应用

应用静电纺技术，在纺丝过程的电极高速转动中形成取向连续长纤维，通过基质材料表面结构引导细胞定向移动，体现在组织修复过程中——召集最先发生细胞向病灶中心聚集。

添加丝素蛋白的材料可使表面生物活性增加，形成取向纤维，加速细胞向病灶转移的速度，缩短愈合的整体过程和组织重建的时间。

关于蚕丝蛋白支架在体内外对单纯软骨或单纯骨组织再生修复的研究已有一定基础，不同来源制备的丝蛋白修复材料对再生医学修复效果的影响。

经试验评估，桑蚕和柞蚕来源的支架材料均对骨或软骨具备诱导能力，桑蚕丝蛋白倾向于形成骨组织，柞蚕丝蛋白倾向于形成软骨组织。

合适的细胞来源、良好的三维空间结构支架材料、生物诱导微环境是骨修复的三个关键因素，骨细胞的增值分裂能力更是关乎最终的修复结果，丝素蛋白的孔隙结构可有助于形成细胞外基质，使氨基酸等营养物质充分渗透，促进新生血管形成。与此同时，丝素蛋白在体内形成的多孔纤维支架，释放电化学型号，以力学强度适当刺激细胞分泌生长因子，加速细胞依附、分裂和增值，从骨发生和骨再生两个方向修复缺损。

关于仿生骨的制备材料，本文从不同角度进行了阐述分析，外源性植入材料的研发已成为总体趋势，而丝素蛋白作为一类天然生物大分子，以多元功能性，组织相容性、优秀的生物延展性可适配于不同骨修复需求，其在体外具有力学各向异性和引导细胞沿纤维排列方向运动的能力还可形成“自组装型”复合材料。

科学家表示，未来或将进一步结合分子生物学和基因工程学，探索材料的“来源改性”，研制出更加符合需求的细胞骨架和氨基酸序列，在天然结构蛋白基础上，进一步挖掘“人造”丝素蛋白的应用空间。

参考资料：
https://www.zhihu.com/topic/19643055/intro

https://baike.baidu.com/item/仿生学/98918?fr=aladdin

https://www.docin.com/p-1715905254.html

《不同来源蚕丝蛋白修复骨软骨组织缺损的效果比较_王虔》

《蚕丝蛋白_PCL共混取向纤维的力学性质与细胞响应_袁翰》

《基于蚕丝蛋白的医用仿生材料_赵林》

来源：Silktech