显微镜光线弱时美国仿生技术的发展现状：超越

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     杰弗里·卡普是生物工程师和仿生学从业者。他善于从自然灵感中创造医学技术的突破。卫报最近写到了他的工作，描述了他如何使用仿生方法来解决人类面临的医学问题。
    
     2005年的一个夏夜，马萨诸塞州波士顿布里格姆妇女医院的生物工程师杰弗里·卡普在他的同事的桌子上发现了一本杂志。他的眼睛被杂志中蜘蛛侠的全彩插入物吸引住了，所以他坐下来开始阅读。
    
     该杂志的文章详细介绍了研究人员如何开发出一种新的合成材料，模仿壁虎的肢体。这种仿生材料模仿壁虎肢体末端的微细丝状支柱，使得壁虎能够很容易地粘在表面上，并且很容易地与物体分离。他们相信这种新材料可以用来制造手套，让特殊的战士爬上像蜘蛛侠这样的建筑物的外墙。
    
     看了这篇文章，Karp告诉我，我的大脑开始快速旋转。他的个想法是利用新材料开发一种新型的医用胶带，可以代替手术缝合线和针。因为后者可能会损伤伤口周围的敏感组织。世界知名的生物工程学家罗伯特·兰格研制出一种可生物降解材料来融合人体内的伤口。卡普认为可生物降解胶带比缝线和针更适合于复杂的外科手术，如胃肠搭桥手术中结扎小肠。外科手术。
    
     读完杂志后的第二天早上，卡普走进兰格的办公室，和兰格分享了这个发现，并获得了研究经费。当他开始研究时，他发现仅仅靠新发夹的摩擦来制作磁带是不够的。他侧壁，但为了固定人体组织的伤口，需要更强的粘附力。
    
     当卡普试图将胶水涂到新材料的表面时，他发现胶水渗过细小的柱子，就像刷子上的蜂蜜；接下来，卡普试图将柱子尽可能地集中在材料的表面上，但是没有足够的面积与人体组织接触来产生隆起。因此，Kapp再次将柱子分开，并试图将每根柱子胶合起来，而不是刷在新材料的表面上。最终，每当人体组织接触到柱子，它就被牢固地吸收，Kapp就有了最终的解决办法。
    
     马萨诸塞州塔夫茨大学生物医学工程系主任大卫·卡普兰指出，这是一个很好的解决方案。2008，麻省理工学院的技术评论将Cap列为35年度世界上更的创新者之一。
    
     卡普，40岁，在BWH经营他的实验室。它被业界誉为仿生科学家，经常从现存的自然界汲取精华来解决科学问题。壁虎医用胶带是卡普的个有价值的发明，因此卡普被认为是该领域的。公众认为它的成功归功于蜘蛛侠。蜘蛛侠海报张贴在他的办公室，卡普在他的演讲中穿着蜘蛛侠T恤。卡普目前的项目包括新的手术指甲，灵感来自豪猪*。这种手术指甲在皮肤上产生较少的伤口，防止细菌感染。此外，曹操正在研制一种类似于海生蠕虫粘性分泌物的新型手术胶，这种胶足够强壮，可以粘附到人体器官，包括心脏。
    
     尤其是，最后的研究足以使Karp成为生物工程领域的新星。Karp不仅发明了一种创新的概念，而且发明了一种实用的产品。Kapp实验室的研究技术员Nick Sherman指出，当我们寻找解决方案时，我们不仅要坚持学术，不仅仅是发表文章，而且这项工作会帮助病人吗如果不是，我们怎样才能通过工作帮助他们
    
     今年早些时候，卡普的新手术胶在巴黎开始临床试验。与市场上的其他手术胶不同，这种手术胶与血液完全不相容，因此更适合粘附在血管、肠组织甚至骨头上的孔上。呃，意思是说外科医生不用开胸心脏手术就可以用它来修复心脏缺陷。法国巴黎蓬皮杜医院的心血管外科医生让-马克·阿尔萨克指出，这可能会改变我们的手术方式。
    
     盖普实验室成立于2007年7月，隐藏在马萨诸塞理工学院附近一栋办公大楼三楼的一扇白门后。进入实验室，首先看到的是一套挂在入口处的白色实验室外套，各种各样的医疗用品。机械、药瓶、试管、罐、消毒器和橡胶手套充斥着整个实验室。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的生物学教授阿诺德·卡普兰说，虽然许多实验室正在做类似的工作，但情况与卡普兰不同。
    
     每个星期三早上8点，Capp实验室的所有员工都聚集在一个大会议室里讨论想法。实验室大约有25名员工，虽然学历从本科生到博士后都有所不同，但研究精神是一样的。加入了Capp的Thomas Kuncewicz一年前，在完成本科学位之前，实验室现在负责两个研究项目。他告诉作者每个人的经历都不一样。这才是最重要的。我们的研究并不存在于愚蠢的金字塔式领导结构中。卡普鼓励员工在遇到问题或想法时及时与他们沟通。昆西维茨说，如果你给他发电子邮件，你会在五分钟内得到答复，甚至在下午11点或凌晨3点，哟。你会在五分钟内得到答复。
    
     实验室吸引了许多杰出的科学家，甚至在动物园或水族馆，考虑研究项目。几年前，卡普的一个学生从野外旅行中带回了一些豪猪刺。那时，卡普正在开发一种新型的外科钉子，经常用来缝合在手术过程中不能用手缝合的敏感组织。卡普仔细看了看豪猪刺，发现每根刺的末端都有几个小刺，使整个刺看起来像锯齿刀。卡普拿起几根豪猪刺，放在下巴上以测试如何缝合刺伤皮肤和造成的伤害有多大。后来，卡普说，伤口出奇地小。
    
     在接下来的几个月里，Capp研制出一种类似豪猪脊椎的外科钉，它有一个类似的锯齿形的末端。对生鸡的检测表明，钉子容易穿透，伤口很小，对周围组织的损伤很小。相比之下，目前使用的外科钉子很少。卡普实验室获得该手术指甲的专利权，现在正将其推向市场。卡普相信这种新的手术指甲可以显著减少手术指甲扭伤引起的并发症。外科手术期间的DS。
    
     对于卡普和许多人来说，大自然往往是解决科学和医学问题的关键。从某种意义上说，这种方法允许科学家从数百万年的进化中找到解决方案。对于像Kapp这样的科学家来说，仿生学的吸引力在于，现今存在的每一种生物都在这里，它们实际上解决了进化的一些挑战。事实上，我们被众多的解决方案所包围。进化是解决问题的更佳方法。
    
     纽约大学古兰特数学研究所（CourantInstituteofMath.s）教授莱夫·里斯特罗夫（Leif Ristroph）指出，仿生学的一个显著优点是，在某些情况下，它向我们提供了已经可用的解决方案。例如，绿叶就是天然太阳能板的一个好例子：科学家们长期以来一直试图更好地理解光合作用，但是在我们真正收集和储存太阳能之前，还有很长的路要走。能量就是这样。
    
     近几十年来，科学技术的进步使观察自然变得更加方便，对自然的模拟和模仿也更加准确。日本铁道集团关森。当火车告诉火车通过隧道时，大气压力的相应变化产生一个低频波，它从隧道中扩散出来，在空气中产生很大的噪音。噪音很大，甚至400米的居民也是如此。来自铁路铁轨的人会抱怨噪音。
    
     中津英治既是工程师，也是鸟类科学家。轮到自然考虑是否有办法处理空气阻力的突然变化。他想到了翠鸟，它长着扁平的喙，可以快速地从空气中潜入水中，而不会引起太多的d。有鉴于此，英志中金对新干线500系列高速列车主轴箱进行了重新设计，使其更长、更平稳。这种新的设计成功地降低了空气阻力30%。
    
     Nakatsu Eiji和新干线的故事是仿生学的经典。目前，世界上许多的学术机构，如哈佛、牛津、斯坦福大学和哥伦比亚大学，都开设生物工程课程。专注于仿生和生物创新项目，如基于白蚁巢穴的通风系统和类似于座头鲸鳍的气动风力涡轮机。
    
     但即使是相信仿生学可以解决最紧迫的人类问题的专家，如缺水、人口过剩和气候变化，也相信这一领域的科学仍处于起步阶段。通过模仿翠鸟的喙，我们还不能完全模仿或复制许多生物现象。
    
     纽约大学坦顿工程学院的教授毛里齐奥·波菲里指出，仿生学是理解自然和构思工程设计的手段，而不是教条主义。他长长的天空，也受到特定环境和条件的限制。甚至连纽约大学的数学家和物理学家、设计师雷夫·里斯特罗夫（Leif Ristroph）也承认，他不可能完全从鸟类或昆虫身上复制机器人。他说，很清楚，鸟类启发了猎户座。GAIL设计的飞机，但早期的设计与鸟挥舞的翅膀无关。
    
     但是对于卡普来说，他并不意味着科学家可以直接复制自然。相反，卡普倾向于观察解决问题的方法，并深入改进自然的设计。牛津大学动物学系生物力学教授阿德里安·托马斯（Adrian Thomas）说，仿生学的关键是分析这些易熔的自然解决方案，然后在现有工程的背景下使用这些原则。简单地复制自然原理是错误的，因为我们可以用更好的工程材料比用自然做得更好。
    
     虽然很少有研究实验室只在仿生学上运行，但是Capp实验室并不是的一个。自2009年开始运行的哈佛大学的怀斯生物启蒙工程研究所，也是一个拥有375名全职员工的仿生工厂。一笔6亿美元的赠款和慈善基金。在过去的三年里，惠氏公司创建了15家初创企业，拥有超过15000项专利，涵盖了从医疗技术到机器人技术的一系列生物技术。它的产品包括自组织的微型机器人，可用于交通监控，以及农作物授粉，以及监测婴儿心肺功能的床垫，允许实时监测婴儿的呼吸。唐恩格尔（唐英伯）指出，卡普实验室已经发展出许多令人惊奇的东西。但是我们的研发速度更快，我们可以承担更多的风险，而且我们更有可能获得技术上的成功。理论上和商业上。
    
     但是卡普的目标不是增加业务量。当实验室成立时，卡普相信它可以使用仿生学来解决细胞迁移的问题，细胞迁移与细胞在生物组织周围的移动有关，从而帮助组织形成、伤口愈合和免疫应答。同年，在一次生物医学会议上，卡普被告知，他感兴趣的就是演讲中提到的壁虎磁带。卡普说，每个人都在问我有关新的医疗磁带的事。所以我想，也许我应该只关注医疗设备，这是一件令人兴奋的事情。
    
     2009年8月的晚上，卡普收到波士顿儿童医院的心脏外科医生佩德罗·德尔·尼多的一封电子邮件。佩德罗·德尔·尼多在先天性心脏病患者的心脏手术中遇到了一个难题，这使得心脏的孔很难密封。J del Nido试图缝合心脏的缝隙，周围的组织会撕裂。他在Kapp的论文中了解到壁虎胶带，他想请Kapp帮助开发类似的产品来帮助治疗他的年轻患者。
    
     这给卡普带来了新的挑战。虽然家蜥蜴胶带可以封住人体组织，如胃肠道，但它不能封住心脏。因为心脏不是静止的，因为血液不断地流出体外，所以它的运动非常剧烈。任何粘合剂的强度都必须很大。嗯。起初，卡普想弄清楚手术胶是否能够帮助解决佩德罗·德尔·尼多的问题。手术胶能使手术伤口更快地粘合，尤其是当手术胶比缝线更有效时，不会损伤周围的敏感组织。但现有的手术胶量很大。血液不能起到粘结作用，也不能与人体组织的运动粘结。此外，手术胶具有毒性副作用，在体内释放甲醛。粘结时间超过30分钟。但对于外科医生来说，病人躺在手术台上的时间越短，手术成功率越高。
    
     卡普告诉佩德罗·J·德尔·尼多他将开发一种新产品。但事实上，他不知道如何进行。家用蜥蜴胶带只是一个学术发明，而且已经在老鼠身上进行了试验。但是佩德罗·德尔·尼多需要的是一种用在人类心脏上的新产品。卡普意识到，如果他想要为了帮助佩德罗·J·德尔·尼多，他必须与那些把创造性想法转化为产品的人进行深入的交流。卡普指出，学术发明不能直接帮助病人，因为它们太复杂了，不能以适当的成本大量生产。所以实验室只是步。
    
     卡普决定建立自己的企业家、风险资本家、专利律师、监管者、顾问和商业经理人网络。这些精英将指导卡普发明产品。在接下来的两年里，卡普继续与波士顿各地的风力投机者会面，参与到活动中。由当地律师事务所和生物技术公司赞助的联系。他飞遍全国，向各种公司介绍他的发明。卡普说，我想做的是接触更多的人，尽快把我的想法发给合适的人，然后付诸实施。
    
     今年6月的早晨，我陪着卡普参观了波士顿的新英格兰水族馆。和科学家打交道总是有点尴尬，但是卡普似乎更平易近人。他又高又瘦，留着薄薄的胡须，经常用笑话来化解冗长的科学解释。他经常如果我觉得无聊，打断我。卡普也喜欢通过图表来解释他在说什么。卡普实验室的研究人员谢尔曼告诉我，他是那种很少见的科学家，可以和任何人深入交流。卡普与高中生的谈话与众不同。SE与博士研究人员，从那些与其他医生，但两者都是令人愉快的理解。
    
     卡普出生于安大略省Petersburg。当他八岁的时候，他搬到了县郊的一所房子里。这是他次住在郊区，那里有一个水牛农场和一个羊场。房子后面有一条小溪。卡普家的土地已经扩展到了森林的边缘。卡普告诉我，我会在半夜醒来，看到草地上狼的眼睛。
    
     卡普喜欢到森林里去找蛇。稍微大一点儿，他会跑去捉青蛙。他还经常在傍晚时分在路上看狐狸，或者听到附近灰猫头鹰的叫声。卡普说，对于一个以前没有自然印象的孩子来说，郊区的生活是一个很大的转折点。这就是一个我从来不知道的新世界。
    
     在水族馆里，Cap带我去了一个巨大的荧光池，里面装满了狮鬃水母，是世界上更大的水母之一。它的身体就像一个钟形的罩子，直径高达8英尺，它的触角完全伸展到100英尺。Karp指出，问题往往是首先出现的，而不是解决方案。他看着狮子的鬃毛水母说：我们不是坐在水母前面，而是在想，‘我们能从这些水母身上开发出什么样的医疗设备'但是我们有一个问题需要解决，这些水母可能会帮助我们。
    
     几年前，Karp开始通过水母来改进现有的血液分析设备。这种血液分析设备主要用于检测肿瘤手术后癌细胞是否转移。该装置类似于SIM卡大小的矩形芯片，底部填充可以附着在癌细胞上的抗体。血液流过装置的顶部，在显微镜下可以观察装置内部是否捕获了癌细胞。
    
     在早期，这种装置的问题在于血液样本太快，离抗体底部太远，无法检测癌细胞的存在。后来改进了装置，缩短了装置顶部和底部之间的距离，但血液样本的流动数量。通过该装置的ING也被减少，并且的结果仍然不可用。
    
     Karp想找到一种减缓血液中癌细胞并把它们附着到抗体上的方法。因此，Karp根据海蜇的触角开发了一种基于DNA的触角，而不是底部抗体。在早期的测试中，卡普发现他的新设计可以增加血液流量十倍，从而更准确地检测血液中的癌细胞。
    
     2011年初，卡普请他的一个研究生玛丽亚·佩雷尔帮他找到一种手术用胶水粘住佩德罗·德尔·尼多心脏手术中的孔的方法。佩雷拉说，我们对这个问题的定义是寻找一种无血的粘合剂，这种粘合剂易于实施，并且具有微创性。这可以很容易地被外科医生应用。
    
     根据卡普的哲学，帕雷拉开始在大自然中寻找解决办法。在一次实验室会议上，她要求人们发邮件给大自然中潮湿生物的想法或照片。她收到了许多蛞蝓和蜗牛的照片。卡普说，我们开始思考当蜗牛袭击时，蜗牛是如何粘在树叶上的。为什么他们留下的痕迹不被雨水冲走那些分泌物是什么
    
     ，有人给卡普和帕雷拉发了一份关于沙虫的研究论文的链接。这些沙虫生活在加利福尼亚海岸的浅水区。它们分泌一种粘性物质。沙虫用这种粘性物质把贝壳和沙子粘在一起，在水下筑巢。这种粘性物质排斥水，确保它的巢能够承受波浪的冲击。
    
     CAPP和Pereira开始设想一种可以结合器官、生物降解和不溶于血液和水的产品。
    
     2013年，卡普在巴黎生物技术公司董事长伯纳德·吉利的帮助下共同创立了壁虎生物创新。帕雷拉后来成为该公司的研究主管。
    
     接下来，Parreira和Karp测试了各种胶水。每种胶水的粘度略有不同。有些胶水太薄而不能粘，有些胶水太粘，不能轻易地输送到要粘结的组织上。而且，胶水粘附是不够的。只有表面的组织，它必须渗透到组织内形成牢固的粘结作用，以防止空气或血液的渗透。这时，卡普想到常春藤是如何附着在建筑物一侧的。植物的根在建筑物上寻找裂缝并分泌一种粘性物质，将根向不同的方向分散。根开始螺旋上升，使植物处于较高的位置。Kapp指出，某些类型的手术胶与常春藤非常相似，因为它可以渗透到组织中。
    
     此外，Capp和Pera还开发了一种笔状装置，它能够从发光二极管发射可见光，发光二极管与粘合剂发生反应，外科医生可以在使用外科胶水之后使用这种装置来粘合粘合胶。
    
     卡普首先在大鼠和猪身上测试了各种手术胶。最终产品的诞生完全是偶然的。最初卡普和佩雷拉在波士顿儿童医院做了动物实验，在活老鼠的心脏上开了一个洞，然后测试了由固体胶t制成的补丁。O密封了这个洞，但是从孔里流出的血太多了，这使得卡普的LED光笔没用了。
    
     帕雷拉开始用液体胶水做实验。她把液体胶水涂抹在大鼠心脏的洞上，卡普用LED光笔跟着它。卡普指出效果已经显现。这种液体胶水排斥血液，血液完全粘附在毛孔上。我们完全封闭了洞而没有这样做。缝纫。六个月后，Kap Pereira检查了老鼠，所有的东西都长得很好。心脏上的胶水随着毛孔的不断愈合而降解。
    
     去年春天，Karp在Zoobiquity的半正式学术会议上介绍了这种液体胶水。会后，一位名叫William Rosenblad的动物医生走近Cap，问他是否愿意用外科胶水来治疗牛头犬。治疗鼻-口瘘的方法，猫和狗的一种常见病，在嘴里造成一个大洞，通向鼻腔。卡普指出他看起来很急。他只是说：尽快给我液体胶。
    
     一周后，罗森布莱德用这种胶水封住了小帕皮嘴上的洞。两周后，罗森布莱德和卡普被跟踪检查了牛头犬的嘴，发现胶水起作用了，洞也完全封住了。牛头犬的主人非常兴奋，卡普说。他不断重复，你改变了我的生活。
    
     3月，Gecko成功募集到2,250万英镑后，开始在巴黎的四家医院进行外科胶水的临床试验。Kapp对36名患者进行了测试，其中大多数患者接受了血管重建，血管被切开以清洁或扩张以允许更好的血流。外科医生Jean Marc Alsac说，实验表明胶水止血迅速，病人在手术后三个月没有不良反应。
    
     卡普计划明年在美国各地进行临床试验，他希望手术胶水将成为手术设备的重要组成部分，并可用于减少患者的时间和并发症。卡普还希望这种胶水可以用于微创外科手术。Kapp指出，在人体组织中有太多的手术干预，这种胶粘剂的粘附可以减少人体组织的干预。
    
     这种胶水的普及也有助于提高仿生学在医学技术中的地位和作用。卡普指出，其他人会试图看到类似的成功故事。首先，我并没有真正把仿生学当作一种工具。这只是一个独立的项目，我没有意识到这个方法有多强大。
    
     今年夏天，当我去巴黎壁虎总部时，我提到了这种液体胶水的工作原理。Parreira用注射器抽出一点胶水，那是一种粘稠的黄色液体。她说，人体内有SSEL。她用一根细金属棒把胶水涂在橡胶表面上，然后拿起一支LED光笔，照了五秒钟。帕雷拉把橡胶递给我，在这里摸了摸。
    
     胶水在橡胶表面形成了柔软的涂层。我玩了一会儿，问帕雷拉能不能把这种胶水涂在自己身上。帕雷拉笑着摇了摇头。你仍然需要等待。
    
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