热衷跑步健身的人，对于膝盖的健康十分关切，哪怕是一点点不适。

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。

近日，麻省理工学院(MIT)的研究团队设计出一种新型人体组织替代材料，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。

(来源：Felice Frankel)

这种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。

受到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。每层包含数十万个纳米纤维，排列整齐，但每层纤维的排列角度与相邻两层略有差异。

独特的结构赋予了纤维层极强的延展性，排列精准的纤维可以在相同方向上承受很大的拉力。

(来源：Yangsheng Li)

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。

图 | 拉伸之后细胞仍存活

郭教授的团队在测试中发现，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。

在未来，研究团队计划使用其他生物相容性材料，比如丝绸，制造类似的纤维线，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，受伤部位还是可以保证一定的运动机能。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。

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责任编辑：Rex_26