上图是一个螺旋状的“纳米织物”。扭曲的纤维里排列着活细胞，可用于修复受伤的肌肉和肌腱，同时保持其灵活性。
用活细胞包裹的螺旋状的纤维可以帮助受伤的肌肉和肌腱的愈合。
Jennifer Chu | MIT News Office April 23, 2019
http://news.mit.edu/2019/nanofiber-yarn-artificial-tissue-0423
由肌腱和肌肉组成的复杂的缆索系统连接在一起的人体，天生强硬结实，具有高度的拉伸性。这些组织的任何损伤，特别是在肩膀或膝盖等大关节，可能需要手术修复和几周的静养才能达到完全愈合。
现在麻省理工的工程师们已经想出了一种组织工程学设计，它可以使受伤的肌腱和肌肉在愈合过程中能够灵活地活动。
研究小组已经设计出了排列着活细胞的小线圈，这些细胞可以作为弹性支架来修复受损的肌肉和肌腱。线圈是由成千上万个生物相容的纳米纤维制成的，这些纳米纤维被紧紧地缠绕成类似于微型航海绳或纱线的线圈。
研究人员在纱线上涂满了活细胞，包括肌肉和间充质干细胞，它们沿着纱线自然生长和排列，形成了类似于肌肉组织的模式。研究人员发现，即使团队多次拉伸和弯曲纱线，纱线的盘绕结构也有助于细胞存活和生长。
在未来，研究人员设想，医生可以用这种新的柔软材料为患者损伤的肌腱和肌肉缝合，这种材料将被覆盖上构成受损组织的相同细胞。“纱线”的弹性可以帮助维持病人的活动范围，同时新细胞继续生长，以取代受损组织。
麻省理工的机械工程系教授助理Ming Guo说：“当你修复肌肉或肌腱时，必须通过包扎在一段时间内固定他们的运动。利用这种纳米纤维纱线，你就不用穿那样的东西了。”
Guo和他的同事本周在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。本文的其他作者包括：Yiwei Li、Yukun Hao、Satish Gupta和Jiliang Hu。该团队还包括北航大学的Fengyun Guo、Yaqiong Wang、Nü Wang和 Yong Zhao。
这种新的纳米纤维纱线的灵感部分来自于该小组以前在龙虾膜上的研究，他们发现这种甲壳类动物坚韧而有弹性的腹部是由分层的胶合板状结构组成的。每个微观层包含数十万纳米纤维，它们都在同一方向上排列，角度与上下几层略有偏移。
纳米纤维的精确排列使每个单独的层在纤维排列的方向上具有高度的延展性。 Guo的工作主要是生物力学，他认为龙虾天然的弹性膜是设计人造组织的灵感，特别是对肩膀和膝盖等高伸展区域的人体组织。
Guo说：“生物医学工程师已经将肌肉细胞嵌入到其他弹性材料中，如试图制造柔性人工组织的水凝胶。然而，当水凝胶本身是有弹性和韧性的，当被拉伸时，嵌入的细胞倾向于断裂，就像粘在一块口香糖上的薄纸。”
Guo说：“当你在很大程度上变形水凝胶这样的材料时，它就会被拉伸得很好，但细胞却不能承受这样的拉伸。一个活细胞是敏感的，当你拉伸它们，它们就会死去。”
研究人员意识到，仅仅考虑材料的可拉伸性并不足以设计出人造组织。这种材料还必须能够保护细胞免受材料拉伸时产生的严重应力损伤。
研究小组从现实中的肌肉和肌腱中寻找进一步的灵感，并观察到这些组织是由成股排列的蛋白质纤维构成的，这些纤维缠绕在一起形成微观螺旋，肌肉细胞沿着螺旋生长。结果是，当蛋白质线圈伸展时，肌肉细胞就会简单地旋转，就像粘在一个柔软的小纸片上一样。
Guo希望复制这种天然的 、 有弹性的 、 保护细胞的结构作为一种人造组织材料。为此，研究小组首先用静电纺丝法制造了数十万根排列的纳米纤维。静电纺丝是一种利用电力将超薄纤维从聚合物或其它材料的溶液中旋转出来的技术。在这种情况下，他们利用纤维素等生物相容性材料制造出纳米纤维素。
然后，研究小组将排列整齐的纤维捆扎在一起，慢慢地扭成一个螺旋状，形成更紧密的线圈，最终类似于纱线，尺寸大约有半毫米宽。最后，他们沿着每个线圈植入活细胞，包括肌肉细胞、间充质干细胞和人类乳腺癌细胞。
然后，研究人员反复拉伸每个线圈，使之达到原来长度的六倍，发现每个线圈上的大多数细胞仍然存活，并随着线圈的伸展而继续生长。有趣的是，当他们把细胞植入由相同材料制成的更松散的螺旋形结构上时，他们发现细胞存活的可能性更小。 Guo说：“这种更紧的线圈的结构似乎可以保护细胞免受伤害。”
在未来，该小组计划用其他生物相容性材料（如蚕丝）制造类似的线圈，这些线圈最终可能会被注射到受伤的组织中。这种线圈可以为新细胞的生长提供一个临时的、灵活的支架。一旦细胞成功修复了损伤，支架就会溶解。
Guo 说：“也许，我们有一天能够将这些结构植入皮肤之下，并且这种[线圈]材料最终会被吸收，而新细胞则会一直保留。这个方法的好处是，它非常普遍，并且可以尝试不同的材料。这将极大地推动组织工程的发展。”
这项研究部分由麻省理工学院研究资助委员会基金资助。
