熱衷跑步健身的人，對(duì)于膝蓋的健康十分關(guān)切，哪怕是一點(diǎn)點(diǎn)不適。
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(zhǎng)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。
近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種新型人體組織替代材料，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)。
(來(lái)源：Felice Frankel)
這種材料看起來(lái)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(wàn)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(lái)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(zhǎng)，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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。
受到龍蝦啟發(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)。每層包含數(shù)十萬(wàn)個(gè)納米纖維，排列整齊，但每層纖維的排列角度與相鄰兩層略有差異。
獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了纖維層極強(qiáng)的延展性，排列精準(zhǔn)的纖維可以在相同方向上承受很大的拉力。
(來(lái)源：Yangsheng Li)
郭教授認(rèn)為，如果能開(kāi)發(fā)出具有類似強(qiáng)韌度的柔性材料，沒(méi)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(lái)講，水凝膠是這一領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向，比如用來(lái)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(lái)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(zhǎng)。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(kāi)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(wàn)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(guò)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。
圖 | 拉伸之后細(xì)胞仍存活
郭教授的團(tuán)隊(duì)在測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)。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。
在未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用其他生物相容性材料，比如絲綢，制造類似的纖維線，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(shì)在于，富有彈力的纖維線可以作為新細(xì)胞生長(zhǎng)的臨時(shí)支架，因此在肌肉組織恢復(fù)的過(guò)程中，受傷部位還是可以保證一定的運(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(zhǎng)出的細(xì)胞和組織。
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