熱衷跑步健身的人，對于膝蓋的健康十分關切，哪怕是一點點不適。

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。

近日，麻省理工學院(MIT)的研究團隊設計出一種新型人體組織替代材料，由涂有活體干細胞的納米纖維線組成，有望在維持正常或部分運動機能的情況下，幫助受損組織快速恢復。

(來源：Felice Frankel)

這種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。

受到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。每層包含數十萬個納米纖維，排列整齊，但每層纖維的排列角度與相鄰兩層略有差異。

獨特的結構賦予了纖維層極強的延展性，排列精準的纖維可以在相同方向上承受很大的拉力。

(來源：Yangsheng Li)

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保護細胞。

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，實現對細胞的保護。

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。

圖 | 拉伸之后細胞仍存活

郭教授的團隊在測試中發現，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保護細胞的作用，越緊密，保護效果越好。

在未來，研究團隊計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，受傷部位還是可以保證一定的運動機能。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。

關鍵詞：