麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型人體組織替代材料，此材料由涂有活體干細(xì)胞的納米纖維線組成，有望在維持正常或部分運(yùn)動(dòng)機(jī)能的情況下，幫助受損組織快速恢復(fù)。

　　眾所周知，熱衷跑步健身的人，對(duì)于膝蓋的健康十分關(guān)切。一旦膝關(guān)節(jié)這樣的關(guān)鍵部位受到損傷，就會(huì)導(dǎo)致人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)能大打折扣，手術(shù)修復(fù)、靜養(yǎng)和完全愈合的時(shí)間短則數(shù)周，長則數(shù)年，期間只能進(jìn)行有限的活動(dòng)，不然很可能會(huì)二次受傷。

　　研發(fā)的新材料看起來像是很多根細(xì)線擰成的一股繩。每一股都包含了數(shù)十萬根具有生物相容性的納米纖維，它們以特殊的螺旋方式纏繞在一起，看起來有點(diǎn)像電話的手柄線，即使拉伸和彎曲多次也不會(huì)損傷表面脆弱的細(xì)胞，而之所以在材料表面涂上干細(xì)胞，是因?yàn)樗鼈兛梢皂樦{米纖維線自然排列和生長，最終形成對(duì)應(yīng)的人體組織，比如肌肉和肌腱。

　　該研究發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

　　受龍蝦啟發(fā)的柔性材料

　　研究負(fù)責(zé)人麻省理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授郭明表示，他是受到龍蝦腹部薄膜的啟發(fā)，才發(fā)明出這種新型納米纖維繩。

　　郭明此前的研究成果指出，龍蝦擁有獨(dú)特的腹部組織，其中的薄膜不僅韌性超強(qiáng)，還具有很強(qiáng)的彈性，甚至可以與橡膠輪胎相提并論。他的團(tuán)隊(duì)仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，切割后的組織薄膜呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，類似于人類制造的膠合板結(jié)構(gòu)。郭教授認(rèn)為，如果能開發(fā)出具有類似強(qiáng)韌度的柔性材料，沒準(zhǔn)可以應(yīng)用在人體中經(jīng)常伸展的部位，比如肩部和膝蓋。

　　通常來講，水凝膠是這一領(lǐng)域的熱門研究方向，比如用來制造肌肉等組織。但進(jìn)一步考慮，想要在上面涂上肌肉或者其它干細(xì)胞，幫助人體組織恢復(fù)，那么僅憑水凝膠是很難實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)殡m然水凝膠具備很強(qiáng)的延展性，但它在拉伸的同時(shí)，也會(huì)拉斷表面細(xì)胞之間的連接，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。兩者的關(guān)系就類似于口香糖粘在紙巾上，一扯口香糖，就會(huì)連帶撕下來一小片紙，破壞了紙巾。

　　所以，想要設(shè)計(jì)出一種幫助肌肉和肌腱恢復(fù)的材料，不僅要考慮材料的延展性，還必須考慮到如何在大力拉伸時(shí)保護(hù)細(xì)胞。

　　緊密的螺旋結(jié)構(gòu)

　　在人體中，真正肌腱組織由排列整齊的蛋白質(zhì)纖維束組成，它們纏繞在一起呈螺旋狀，肌肉細(xì)胞就沿著螺旋狀結(jié)構(gòu)生長。如果拉伸蛋白質(zhì)纖維，細(xì)胞就會(huì)順著螺旋方向旋轉(zhuǎn)，緊貼在上面而不會(huì)斷裂或損壞。這正是研究團(tuán)隊(duì)所需的靈感。他們隨后開始嘗試?yán)萌嗽觳牧蠌?fù)制這種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的保護(hù)。

　　首先，研究人員使用了靜電紡絲技術(shù)，創(chuàng)造了數(shù)十萬根對(duì)齊的納米纖維。這種技術(shù)可以在高壓靜電的作用下，通過聚合物溶液制造出超細(xì)的纖維絲。他們使用了纖維素(cellulose)等具有良好生物相容性的材料，適合植入到人體中。

　　隨后，研究人員將這些排列整齊的纖維捆綁在一起，慢慢扭曲成螺旋形狀，再一次將整體扎緊，形成一根紗線似的產(chǎn)物，寬度約為0.5毫米。這些紗線最后被“包裹”上很多活細(xì)胞，包括肌肉細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞等。

　　螺旋纖維紗的制備與表征

　　郭教授團(tuán)隊(duì)在測試中發(fā)現(xiàn)，將每個(gè)螺旋(纏繞后的纖維線)拉伸到原始長度的6倍以后，大多數(shù)細(xì)胞仍然可以存活，而且會(huì)隨著拉伸繼續(xù)生長。有趣的是，如果將細(xì)胞放在相同材質(zhì)，但螺旋結(jié)構(gòu)更松散的纖維線上時(shí)，細(xì)胞反倒更不容易存活。這意味著緊密的螺旋結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)細(xì)胞的作用，越緊密保護(hù)效果越好。

　　強(qiáng)拉伸下螺旋支架保護(hù)細(xì)胞免受損傷

　　螺旋支架對(duì)肌細(xì)胞生成促進(jìn)作用

　　在未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用其他生物相容性材料制造類似的纖維紗，并且可能會(huì)嘗試將其植入皮膚下的人體受損組織中。

　　相比水凝膠等技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于富有彈力的纖維線可以作為新細(xì)胞生長的臨時(shí)支架，因此在肌肉組織恢復(fù)的過程中，可以保證受傷部位具有一定的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，而且在組織得到修復(fù)之后，這些材料就會(huì)溶解掉，只留下新長出的細(xì)胞和組織。