从海底到手术台

C口腔是海洋魔术师。随着微小海洋生物群落的生长，它们将海水中循环的钙转化为巨大的石灰岩珊瑚礁。这些珊瑚礁可以延伸超过1000英里，为螃蟹、鳗鱼、海马和其他水生生物提供家园，是世界上最伟大的自然奇观之一。

在20世纪60年代末，宾夕法尼亚州立大学的两名科学家决定使用一种新的高倍显微镜来近距离观察这些引人注目的珊瑚结构。这两人的发现将启动一个跨学科团队，进行从南太平洋热带浅水到现代医院手术室的漫长研究旅程。在那里，他们的发现正在帮助外科医生修复病人受损的骨骼。

2012年，该团队的成员获得了“金鹅奖”(Golden Goose awards)，这是一项由美国国会议员发起的年度奖项，旨在表彰那些看似不寻常但却带来意外回报的研究。“事实证明，大多数科学仍然是偶然的，许多好的发现并不是计划好的，”获奖的罗德尼·怀特(Rodney White)说，这一意外发现帮助了团队的努力。

这次旅程由海洋地球化学家乔恩·韦伯(Jon Weber)开始，他专门研究海星、海胆和珊瑚等海洋无脊椎动物的碳酸盐刺、贝壳和骨骼。他自己收集了很多样本，在整个南太平洋进行水肺潜水，并把他的样本拖回宾夕法尼亚州的实验室。在那里，韦伯将他的样品碾碎成细粉末，并分析它们的化学组成。他很好奇海洋骨骼的组成在不同物种之间是如何变化的，以及它是否受到环境因素的影响，如水温、盐度和深度。韦伯在20世纪60年代和70年代初发表了许多关于这些问题的论文，但一种新的实验室设备的出现将他的研究推向了一个意想不到的方向。

20世纪60年代中期，宾夕法尼亚州立大学成为美国最早获得扫描电子显微镜的院校之一。传统的显微镜倾向于产生扁平的二维图像，但是扫描电子显微镜使科学家能够产生具有大景深的显微图像，从而更好地观察样品的三维结构。

珊瑚骨架看起来就像三维网格块，或者是非常透气的瑞士奶酪。

“如果没有这类设备，有很多问题是无法回答的，”材料科学家尤金·怀特(Eugene White)在去年去世前接受采访时说。他曾帮助建立和管理宾夕法尼亚州立大学的显微镜。“这是这个国家的第一个商业制造的电子显微镜。它非常受欢迎。东海岸各地的人们都会来看看它能做什么。”

怀特与这些来访的研究人员(其中一些来自大公司)合作，近距离观察了许多人造材料。在显微镜来到校园几年后，怀特的朋友乔恩·韦伯带着他收集的海底骨骼开始出现在材料研究实验室。韦伯和怀特将标本放在显微镜下，从海胆刺开始，再到珊瑚。他们被眼前的景象惊呆了。珊瑚骨架是由密集的孔网组成的，全由互相连接的小孔贯穿。它们看起来像三维网格块，或者是非常透气的瑞士奶酪。“我们真的被这些珊瑚的物理结构迷住了，”怀特说。“它的结构与我们以前合作过的任何东西都截然不同。”这些珊瑚并不像怀特之前研究的任何合成材料，但研究人员最终意识到，它们看起来非常像人类骨骼。

虽然骨头看起来又硬又脆，但它是活的组织，不断地自我重建。这是个好消息，因为这意味着当骨骼受损时，组织能够再生。虽然小骨折通常会自行愈合，但骨头不能在空洞中生长;如果大块骨头缺失，外科医生就需要植入某种支架或基质，使新的骨细胞能够附着在上面。

骨头是天然的多孔性的，医生们已经了解到，他们可以通过将一小块真正的人体骨头移植到病人缺损或受伤的部位来修复骨头损伤。然后，新的骨组织生长到交叉移植骨的微观通道中。这些骨移植已经成为现代医学的支柱，可用于战场创伤的修复、出生缺陷的治疗、复杂骨折的愈合、减少关节炎疼痛和稳定膝关节和髋关节置换。

但是这种方法也有缺点。通常情况下，医生主要依靠两种来源进行骨移植;他们可以从病人身上取一小块骨头，通常是髋骨，也可以从尸体上取骨头。也不理想。尸体上的组织会传播疾病，而移除病人自己的骨头是很痛苦的，可能会导致严重的并发症。

因此，科学家们一直在寻找可能适用于骨移植的替代材料。工程师们已经在实验室里创造出了一些很有前途的候选材料，比如多孔陶瓷，但要重新创造出人类骨骼所特有的统一的、完全相互连通的孔隙，却是一项艰巨的任务。宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的材料科学家斯里达尔·科马内尼(Sridhar Komarneni)说，“很难复制自然界正在发生的事情。多孔材料学报．

现在看来，大自然本身或许可以提供一个解决方案。

1971年，怀特邀请他的侄子罗德尼到他的实验室里度过夏天。罗德尼·怀特(Rodney White)当时是纽约州立大学(State University)北部医科大学(Upstate Medical University)的一名学生，他与叔叔和韦伯合作，拍摄了珊瑚骨骼的照片，并制作了模具。三人越是对这些结构进行研究，就越怀疑一群微小的海洋无脊椎动物已经做到了工程师们无法做到的事情:创造出一种理想的人骨替代品。

德拉·罗伊用一个豪华的高压锅把热带珊瑚变成了人造骨头。

珊瑚骨骼上的毛细孔大小均匀，分布均匀，并完全相互连接，这将使骨和血细胞通过移植物，并使新的血管和骨组织生长到移植物上。韦伯、怀特和怀特在1972年的一篇论文中概述了这些优势科学并指出，通常被称为手指珊瑚的波石珊瑚可能是一种特别好的植入材料来源。

罗德尼·怀特(Rodney White)现在是长滩纪念心脏和血管研究所(Long Beach Memorial Heart and vascular Institute)血管外科的医疗主任，他说:“在当时，将骨替代品装在瓶子里，然后取出来植入体内，是一种非常有趣的技术。”

然而，一个主要的问题是:珊瑚骨骼是由碳酸钙构成的，它会被人体吸收。“碳酸钙作为一种材料毫无价值，”尤金·怀特说。研究人员需要弄清楚如何在不改变其复杂结构的情况下，将骨骼转化为更稳定的材料。

研究人员得到了同样在材料研究实验室工作的化学家德拉·罗伊(Della Roy)的帮助。她将珊瑚片放入装有磷酸盐溶液的试管中，然后在高压下加热试管。溶液中的磷酸盐取代了碳酸盐;几小时后，罗伊从试管中取出的样本是由一种叫做羟基磷灰石的磷酸钙化合物组成的，羟基磷灰石是人类骨骼中的主要矿物质。这个过程并没有改变珊瑚的结构。罗伊用一个豪华的高压锅把热带珊瑚变成了人造骨头。

Komarneni说:“这是将碳酸盐转化为羟基磷灰石的关键，羟基磷灰石与身体相容，并保留多孔结构。”“改变这一点是个好主意。”

罗德尼·怀特(Rodney White)在纽约州立大学招募了一些外科医生，对这种名为珊瑚羟基磷灰石的新材料进行动物试验。医生们将一些材料植入成年狗的腿部。珊瑚种植体表现良好;移植物上的新骨慢慢形成，没有排斥或感染的迹象。

随后，来自不同机构的少数研究团队进行了他们自己的研究——在狗、兔子、猴子，最终在人类身上——得到了同样令人鼓舞的结果。今天，珊瑚羟基磷灰石已经在外科医生的重建工具箱中赢得了一个合法的位置。它被用于种植牙，面部重建，脊柱融合和骨折修复。成千上万的病人从中受益。

“这是一种令人着迷的材料，”罗伯特·布丘兹(Robert Bucholz)说。在2016年去世之前，他是德克萨斯大学西南医学中心(University of Texas Southwestern Medical Center)的整形外科医生，曾进行过一些最早的人体研究。“这是最早的人造骨移植替代材料之一，它经受住了时间的考验。”

艾米莉·安特斯(Emily Anthes)是布鲁克林的一名科学记者，也是这本书的作者弗兰肯斯坦的猫:拥抱生物技术的勇敢新动物。

这个故事是由科学慈善联盟作为“科学到社会”系列的一部分，说明了基础科学研究的重要性。