模仿海洋生物能治愈骨质疏松症吗?

如果你能将一种神奇的物质注入你的身体，在不需要侵入性手术的情况下修复受损的部分会怎么样?如果这种物质能让你的身体自行修复呢?如果这些材料是由地球上最常见的元素组成的呢?

神奇吗?是的。闻所未闻的吗?不,不是真的。自20世纪90年代中期以来，这种材料一直被用于医疗行业，实际上已经成为过去十年中最成功的生物医学方法之一。这是一种合成骨水泥，它的开发是仿生设计的经典故事，为发明者和产品开发人员提供了经验。

诺里安这个名字为它的发展提供了线索。它的发明者不是医生，而是海洋生物学家和地质学家。诺里安是上三叠统地质时期的一个分支，以古鹦鹉螺(一种有着美丽螺旋壳的古代无脊椎动物)的存在而闻名。石质珊瑚礁被认为开始于中三叠世。

布伦特·康斯坦茨(Brent Constantz)坐在父亲的书房里看一场足球比赛的那天，他并没有真正在想医疗发明。他开始阅读他父亲的一些医学期刊，偶然发现了一篇关于骨质疏松症的文章。他对显示给病人和医院的费用的统计数据感到惊讶。几天后，他在南太平洋研究珊瑚时想到了两个点子。

为什么不模仿珊瑚快速产生矿物质的方式，并将其应用于骨折部位呢?基本材料是一样的。时间对骨愈合至关重要，目前的实践还不够充分，因为大多数种植体涂层和缺陷填充材料是相对脆性陶瓷。

珊瑚提供了线索

康斯坦茨已经是生物矿化方面的专家，他在加州大学圣克鲁斯分校期间曾在国家科学基金会的资助下研究过加勒比海珊瑚礁。后来，他成为海因茨·洛恩斯坦(Heinz Lowenstam)领导的韦斯曼研究所(Weismann Institute)的富布赖特学者，该研究所被认为是生物矿化研究之父。他的论文论述了石珊瑚的三个方面:它们的结构和力学性能;生物发生时的行为;以及它们是如何制造骨骼的。

珊瑚虫是一种无脊椎动物，属于刺胞动物门，包括水母、水螅和海葵等多种生物。石珊瑚是构成珊瑚礁的四大类中的一种。在这个主要由海洋和食肉动物组成的俱乐部里，你可以漂浮在水面上，也可以把自己固定在水面上，很多人在有生之年都能做到这两点。珊瑚与藻类有一种互惠关系，藻类产生糖来交换保护和来自珊瑚虫的有营养的废物。

当珊瑚将自己固定住时，它们就像附着在一起的珊瑚虫一样聚集在一起，它们是用碳酸钙或石灰作为水泥来固定自己的。例如，位于澳大利亚东北海岸的大堡礁就是这些殖民地的一个巨大集合，它们建立在距今1万年的祖先外骨骼遗址上。

蜂群内的每个珊瑚虫都会从其下体的表皮分泌一个碳酸钙或文石的外部骨架，这将在生物周围形成一个杯状结构。该杯由向上放射的钢板组成，并与软组织相连。坚硬的矿物质骨骼和柔软的胃血管组织会结合在一起，所以当珊瑚群晚上在水中摇动触须进食时，每个人都吃。

在他对珊瑚的研究中，康斯坦茨有了一个重要的发现:珊瑚虫细胞内的高尔基体正在形成种子晶体，这些种子晶体可以在试管中用来繁殖特定的珊瑚物种。就在那时，他有了一个想法，用这些晶体来建造道路和其他人工建筑。

诺里安的早期

1987年，他在美国地质调查局(U.S. Geological Survey)做博士后时创办了Norian。该公司最初的目标是制造类似的种子晶体，以便在原位生长骨骼。到1995年，Norian团队已经对该过程进行了动物和人体试验，并在美国科学院杂志《科学》上发表了“骨骼矿物相原位形成修复”的文章。这篇文章是今年被引用最多的期刊文章，它展示了如何将磷酸一钙、磷酸三钙、碳酸钙和磷酸钠溶液的糊状物注射到受损的骨头中，从而产生有效的骨水泥。

注入的浆料快速硬化，并从含碳酸盐磷灰石的结晶中获得强度。随着结晶的增多，材料的抗压强度增加，最终达到约55 megapasals (MPa)，抗拉强度超过2 MPa。抗压强度优于松质骨，抗拉强度与松质骨相当。

这种新方法在初期骨修复方面是成功的，但作为新骨生长的支架最有价值。大理石模拟了天然骨骼矿物相中的晶格无序和杂质，最重要的是，模拟了天然物质的溶解度。这使得身体可以利用碳酸穿透这种物质，扩张其毛细血管并进行重组，从而使这种物质有必要的营养和细胞存活。实际上，注射的磷酸钙与新的天然骨形成了一种复合物。

推广这种方法有其挑战，因为正如Constantz所说，“产品是由客户制造的。”他回忆起一个来自瑞典的恐慌电话，一个88岁的妇女在手术台上躺了4个小时，水泥没有凝固。

他说:“我向他们解释了体温对环境的重要性。”“当然，在止血带里待了这么长时间之后，这个伤口已经被破坏了。”

公司建立了完整的培训体系，引入培训方法。

Constantz和Norian团队继续对最初的产品进行改进，他的跨学科能力再次证明是有用的。他们希望使水泥更易于注入，而不会因稀释或其他副作用影响其凝结时间。从他对一种名为海岸缺氧软泥的海洋地质特征的研究中，他知道钙、磷酸盐矿物与二氧化硅结合会产生这种效果。该团队能够将这种化学物质整合到水泥配方中，并以此为基础成立了一家新公司，Skelekinetics。

Norian后的生活

Constantz通常从一个问题开始，并努力找出一个自然可行的解决方案，而不是针对观察到的现象寻求应用。他的方法归功于他在加州大学圣巴巴拉分校的进化论者吉姆·瓦伦丁(Jim Valentine)的教导。

“设计师和发明家需要更多的进化训练，”他说。“在这里，你可以看到什么起作用了，以及为什么起作用。”

1998年，瑞士达沃斯的Synthes收购了Norian。Johnson和Johnson后来收购了Synthes;其产品现在被称为Norian骨骼修复系统(SRS)。

康斯坦茨回到斯坦福任教，之后成立了几家新公司，包括碳捕获和水泥制造公司Calera，以及深海海水淡化公司Blue Planet。SRS程序现在在“世界各地”使用，他估计每年有100万患者接受该程序的服务，其中很多在中国。

他面无表情地说:“他们肯定做得很好。”“我还在收到版税支票。”

x射线图像由Jesper Jensen通过在上面．