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  美研发新型人体组织替代材料,可为肌腱伤者保留运动能力
2019-05-28
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  麻省理工学院(MIT)的研究团队研发了一种新型人体组织替代材料,此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。

  众所周知,热衷跑步健身的人,对于膝盖的健康十分关切。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。

  研发的新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。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。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。

  

螺旋纤维纱的制备与表征

  郭教授团队在测试中发现,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。

  

强拉伸下螺旋支架保护细胞免受损伤

  

螺旋支架对肌细胞生成促进作用

  在未来,研究团队计划使用其他生物相容性材料制造类似的纤维纱,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,可以保证受伤部位具有一定的运动机能,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。

 

    (来源:麻省理工科技评论APP)

 

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