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这根涂满干细胞的纳米“电话线”,可为养伤的肌腱伤者保留运动能力
发布者:产业用及无纺布展 | 发布日期:2019/9/6 16:52:52


  From: ZRen麻省理工科技评论APP


  
  热衷跑步健身的人,对于膝盖的健康十分关切,哪怕是一点点不适。
  
  一旦膝关节这样的关键部位受到损伤,就会导致人体的运动机能大打折扣,手术修复、静养和完全愈合的时间短则数周,长则数年,期间只能进行有限的活动,不然很可能会二次受伤。
  
  近日,麻省理工学院(MIT)的研究团队设计出一种新型人体组织替代材料,由涂有活体干细胞的纳米纤维线组成,有望在维持正常或部分运动机能的情况下,帮助受损组织快速恢复。


  (来源:Felice Frankel)
  
  这种材料看起来像是很多根细线拧成的一股绳。每一股都包含了数十万根具有生物相容性的纳米纤维,它们以特殊的螺旋方式缠绕在一起,看起来有点像电话的手柄线,即使拉伸和弯曲多次也不会损伤表面脆弱的细胞。
  
  而之所以在材料表面涂上干细胞,是因为它们可以顺着纳米纤维线自然排列和生长,最终形成对应的人体组织,比如肌肉和肌腱。
  
  该研究发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
  
  受到龙虾启发的柔性材料
  
  研究负责人,麻省理工学院机械工程助理教授郭明表示,他是受到龙虾腹部薄膜的启发,才发明出这种新型纳米纤维绳。
  
  郭明此前的研究成果指出,龙虾拥有独特的腹部组织,其中的薄膜不仅韧性超强,还具有很强的弹性,甚至可以与橡胶轮胎相提并论。他的团队仔细观察后发现,切割后的组织薄膜呈现层状结构,类似于人类制造的胶合板结构。每层包含数十万个纳米纤维,排列整齐,但每层纤维的排列角度与相邻两层略有差异。
  
  独特的结构赋予了纤维层极强的延展性,排列精准的纤维可以在相同方向上承受很大的拉力。


  (来源:Yangsheng Li)
  
  郭教授认为,如果能开发出具有类似强韧度的柔性材料,没准可以应用在人体中经常伸展的部位,比如肩部和膝盖。
  
  通常来讲,水凝胶是这一领域的热门研究方向,比如用来制造肌肉等组织(详情请看)。但进一步考虑,想要在上面涂上肌肉或者其它干细胞,帮助人体组织恢复,那么仅凭水凝胶是很难实现的。
  
  因为虽然水凝胶具备很强的延展性,但它在拉伸的同时,也会拉断表面细胞之间的连接,导致细胞死亡。两者的关系就类似于口香糖粘在纸巾上,一扯口香糖,就会连带撕下来一小片纸,破坏了纸巾。
  
  所以,想要设计出一种帮助肌肉和肌腱恢复的材料,不仅要考虑材料的延展性,还必须考虑到如何在大力拉伸时保护细胞。
  
  紧密的螺旋结构
  
  在人体中,真正肌腱组织由排列整齐的蛋白质纤维束组成,它们缠绕在一起呈螺旋状,肌肉细胞就沿着螺旋状结构生长。如果拉伸蛋白质纤维,细胞就会顺着螺旋方向旋转,紧贴在上面而不会断裂或损坏。
  
  这正是研究团队所需的灵感。他们随后开始尝试利用人造材料复制这种结构,实现对细胞的保护。
  
  首先,研究人员使用了静电纺丝技术,创造了数十万根对齐的纳米纤维。这种技术可以在高压静电的作用下,通过聚合物溶液制造出超细的纤维丝。他们使用了纤维素(cellulose)等具有良好生物相容性的材料,适合植入到人体中。
  
  随后,研究人员将这些排列整齐的纤维捆绑在一起,慢慢扭曲成螺旋形状,再一次将整体扎紧,形成一根纱线似的产物,宽度约为 0.5 毫米。
  
  这些纱线最后被“包裹”上很多活细胞,包括肌肉细胞和间充质干细胞等。


  图 | 拉伸之后细胞仍存活
  
  郭教授的团队在测试中发现,将每个螺旋(缠绕后的纤维线)拉伸到原始长度的 6 倍以后,大多数细胞仍然可以存活,而且会随着拉伸继续生长。有趣的是,如果将细胞放在相同材质,但螺旋结构更松散的纤维线上时,细胞反倒更不容易存活。
  
  这意味着紧密的螺旋结构起到了保护细胞的作用,越紧密,保护效果越好。
  
  在未来,研究团队计划使用其他生物相容性材料,比如丝绸,制造类似的纤维线,并且可能会尝试将其植入皮肤下的人体受损组织中。
  
  相比水凝胶等技术,这项技术的优势在于,富有弹力的纤维线可以作为新细胞生长的临时支架,因此在肌肉组织恢复的过程中,受伤部位还是可以保证一定的运动机能。而且在组织得到修复之后,这些材料就会溶解掉,只留下新长出的细胞和组织。