2016年11月11日 星期五 09:15:33

美研發新型人體組織替代材料,可為肌腱傷者保留運動能力

36期三半单双中特 www.fslyz.com 發表時間:2019/5/28

麻省理工學院(MIT)的研究團隊研發了一種新型人體組織替代材料,此材料由涂有活體干細胞的納米纖維線組成,有望在維持正?;蠆糠衷碩艿那榭魷?,幫助受損組織快速恢復。

眾所周知,熱衷跑步健身的人,對于膝蓋的健康十分關切。一旦膝關節這樣的關鍵部位受到損傷,就會導致人體的運動機能大打折扣,手術修復、靜養和完全愈合的時間短則數周,長則數年,期間只能進行有限的活動,不然很可能會二次受傷。

研發的新材料看起來像是很多根細線擰成的一股繩。每一股都包含了數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,看起來有點像電話的手柄線,即使拉伸和彎曲多次也不會損傷表面脆弱的細胞,而之所以在材料表面涂上干細胞,是因為它們可以順著納米纖維線自然排列和生長,最終形成對應的人體組織,比如肌肉和肌腱。

該研究發表于《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。



受龍蝦啟發的柔性材料

研究負責人麻省理工學院機械工程助理教授郭明表示,他是受到龍蝦腹部薄膜的啟發,才發明出這種新型納米纖維繩。

郭明此前的研究成果指出,龍蝦擁有獨特的腹部組織,其中的薄膜不僅韌性超強,還具有很強的彈性,甚至可以與橡膠輪胎相提并論。他的團隊仔細觀察后發現,切割后的組織薄膜呈現層狀結構,類似于人類制造的膠合板結構。郭教授認為,如果能開發出具有類似強韌度的柔性材料,沒準可以應用在人體中經常伸展的部位,比如肩部和膝蓋。

通常來講,水凝膠是這一領域的熱門研究方向,比如用來制造肌肉等組織。但進一步考慮,想要在上面涂上肌肉或者其它干細胞,幫助人體組織恢復,那么僅憑水凝膠是很難實現的。因為雖然水凝膠具備很強的延展性,但它在拉伸的同時,也會拉斷表面細胞之間的連接,導致細胞死亡。兩者的關系就類似于口香糖粘在紙巾上,一扯口香糖,就會連帶撕下來一小片紙,破壞了紙巾。

所以,想要設計出一種幫助肌肉和肌腱恢復的材料,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?;は赴?。


緊密的螺旋結構

在人體中,真正肌腱組織由排列整齊的蛋白質纖維束組成,它們纏繞在一起呈螺旋狀,肌肉細胞就沿著螺旋狀結構生長。如果拉伸蛋白質纖維,細胞就會順著螺旋方向旋轉,緊貼在上面而不會斷裂或損壞。這正是研究團隊所需的靈感。他們隨后開始嘗試利用人造材料復制這種結構,實現對細胞的?;?。

首先,研究人員使用了靜電紡絲技術,創造了數十萬根對齊的納米纖維。這種技術可以在高壓靜電的作用下,通過聚合物溶液制造出超細的纖維絲。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物,寬度約為 0.5 毫米。這些紗線最后被“包裹”上很多活細胞,包括肌肉細胞和間充質干細胞等。


螺旋纖維紗的制備與表征


郭教授團隊在測試中發現,將每個螺旋(纏繞后的纖維線)拉伸到原始長度的6倍以后,大多數細胞仍然可以存活,而且會隨著拉伸繼續生長。有趣的是,如果將細胞放在相同材質,但螺旋結構更松散的纖維線上時,細胞反倒更不容易存活。這意味著緊密的螺旋結構起到了?;は赴淖饔?,越緊密?;ばЧ膠?。


強拉伸下螺旋支架?;は赴饈芩鶘?/strong>



螺旋支架對肌細胞生成促進作用


在未來,研究團隊計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,這項技術的優勢在于富有彈力的纖維線可以作為新細胞生長的臨時支架,因此在肌肉組織恢復的過程中,可以保證受傷部位具有一定的運動機能,而且在組織得到修復之后,這些材料就會溶解掉,只留下新長出的細胞和組織。


論文題目:Helical nanofiber yarn enabling highly stretchable engineered microtissue


(來源: 麻省理工科技評論APP)

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