生物材料将自然的力量与人类的智慧结合在一起，正在医学领域掀起一场风暴。它们对包括生物工程和生物技术在内的生命科学领域至关重要。生物材料可以是天然的，也可以是合成的，经过工程化设计可与生命系统相互作用，通常用于医疗目的，例如支持、增强或替换受损的组织或生物功能。
其应用可追溯到古代，当时古埃及人使用动物肌腱制成的缝合线来促进伤口愈合。如今，可想而知，生物材料已经变得复杂得多。在此，我们探讨生物材料科学中一些令人兴奋的临床前进展，这些进展如果有幸实现，可能会带来治疗效益——从用于愈合慢性伤口的凝胶，到工程化的耳软骨和3D打印的软体机器人。
受动物肌肉启发的新型生物材料
来自圣路易斯华盛顿大学（美国密苏里州）和西北大学（美国伊利诺伊州）的工程师利用基因改造微生物创造了一种新型生物材料，其行为与动物肌肉纤维完全相同。这种基于蛋白质的材料可能改变医学、纺织和农业领域。
天然肌肉纤维具有有趣的机械性能，这得益于其多样的蛋白质结构域，而这些结构域在材料设计中尚未得到充分探索。例如，免疫球蛋白样（Ig）结构域充当分子弹簧，可以收缩和拉伸而不丧失功能，因此成为下一代蛋白质基材料的有希望的候选者。
为了利用这种拉伸强度和耐久性，研究人员采用了合成生物学方法，通过微生物合成Ig结构域。
通过工程化微生物在生物反应器中由多种肌肉蛋白（包括肌联蛋白、细丝蛋白和肌间蛋白）创建了这些结构域。然后通过湿法纺丝将其加工成宏观纤维，随后进行了全面的机械和结构表征。
所得纤维成功地在宏观尺度上模拟了Ig结构域的特性。特别是，来源于细丝蛋白的纤维表现出高拉伸强度、韧性、能量阻尼能力、形状恢复能力以及在高湿度和高温条件下的机械稳定性的独特组合。
该纤维在高湿度下收缩小的特性使其有别于现有的蛋白质基材料，同时其稳定的产量和更高的产量也使其脱颖而出。
研究人员总结说，这些发现确立了微生物合成的Ig结构域作为一类新型生物材料的地位，在生物医学植入物和组织支架以及设计运动服甚至制造肉类替代品方面可能非常有价值。
用于愈合慢性伤口的供氧水凝胶
由加州大学河滨分校（美国加利福尼亚州）领导的研究表明，一种自供氧凝胶可以帮助愈合损伤并防止截肢，并有可能加速功能性活组织甚至器官的开发。
生物工程组织通常遭受严重缺氧，这会损害细胞活性和功能，并限制其在器官规模工程和再生医学中的应用。现有的向这些组织输送氧气的方法通常无法在新血管形成之前提供持续的氧气供应。
为了防止缺氧，研究团队开发了一种智能自供氧组织平台，该平台使用生物凝胶结合电极，实现按需、局部产生氧气。水凝胶电解质将生物离子液体掺入甲基丙烯酰明胶中，形成一种可支持电解和细胞生长的电导支架。
当与小型电池配对时，该凝胶就变成了一台微型机器，通过分解水分子来产生稳定的氧气流。
体外研究表明，该平台的产氧能力在低氧条件下维持了细胞活力并促进了血管形成。同时，使用小鼠模型进行的糖尿病伤口愈合研究表明，该技术显著加速了慢性和非慢性伤口的愈合，增加了胶原蛋白沉积并促进了血管生成，且免疫反应极小。
除了在伤口愈合中的潜在作用外，这种生物材料还代表了在生物工程组织中控制、持久输送氧气的解决方案。
研究负责人Iman Noshadi总结道：“该项目可被视为为需要器官的人创建和维护更大器官的桥梁。”
3D打印软体机器人
哈佛大学（美国马萨诸塞州）开发的一种用于构建软体机器人材料的新型3D打印方法，可能制造出具有潜在外科用途的复杂机器人。
由生物相容材料制成的软体机器人的设计在从医疗保健到制造业的行业中越来越受到关注，潜在应用包括形状变形、驱动和可穿戴设备。然而，为此类目的设计和控制软体机器人仍然是一个挑战。
为了在这一领域取得进展，研究人员转向3D打印，开发了一种制造方法，用于创建带有嵌入式气动装置的软体机器人材料，该材料表现出可编程的形状变形行为。
该方法采用旋转多材料3D打印（其中两种材料可以使用一个喷嘴同时打印）来创建带有空心通道的长丝，当填充空气时，允许设备以特定方式弯曲。
纤维的外壳由聚氨酯组成，内通道由一种称为泊洛沙姆的聚合物制成。通过精确控制喷嘴设计、旋转速率、挤出速率和打印路径，团队可以控制通道的方向、形状和横截面积。
一旦外部基质固化，内部墨水被去除，留下嵌入的通道，这些通道可被加压以变形，从而使软体设备能够膨胀、收缩和抓取。
将这项技术付诸实践，团队打印了一个螺旋花图案和一个五指的“手”，带有可弯曲的“指关节”。
通过使研究人员能够构建复杂形状的软体机器人物质，这项创新未来可用于创建手术机器人或辅助设备。
实验室培养的耳朵
来自苏黎世联邦理工学院、卢塞恩州立医院和弗里德里希·米歇尔研究所（均位于瑞士）的科学家已向在实验室中使用患者自身的活细胞材料制造耳朵迈出了一步。基于人类耳软骨细胞，研究团队生成了弹性软骨，其机械性能与天然组织相似。
小耳畸形是一种先天性疾病，其特征是外耳畸形。目前的黄金标准治疗涉及采集肋软骨，这种方法是侵入性的，并伴有供体部位发病率、外观受损以及耳朵僵硬不自然等问题。工程化功能性弹性软骨将提供更好的治疗选择，但这在再生医学中仍是一个未实现的挑战。
在这项最新进展中，研究人员工程化了原代人耳廓软骨细胞，以生成具有接近天然组织特性的功能性弹性软骨。首先，他们从人类小软骨中提取并培养细胞，然后将其嵌入生物墨水中，并使用3D打印机形成耳状结构。然后将耳朵放入培养箱中使其成熟，这促进了II型胶原蛋白、弹性蛋白和糖胺聚糖的形成，与天然耳软骨完全一样。
在皮下大鼠模型中，移植物保持了6周的结构完整性和弹性，并且研究作者写道，“代表了迄今为止在离体条件下实现的最接近天然人弹性软骨的复制品”。
因此，它们为临床可行、功能性耳廓移植奠定了基础，这可能为小耳畸形患者带来希望。
“我们当前的研究为当前研究状态提供了一个良好的指南，”主要作者Philipp Fisch（苏黎世联邦理工学院）总结道。“它展示了我们距离重建人耳有多近——以及还缺少什么。”
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