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人造心脏研制迈出重要一步
2022-07-12
来源:中国科学报
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为了从头开始构建人类心脏,研究人员需要复制构成心脏的独特结构。这包括重建螺旋几何形状——当心脏跳动时,螺旋几何形状会产生扭曲的运动。长期以来,人们一直认为这种扭曲运动对大量泵血至关重要,但事实证明这很困难,部分原因是制造具有不同几何形状和排列的心脏具有挑战性。

  

  为了从头开始构建人类心脏,研究人员需要复制构成心脏的独特结构。这包括重建螺旋几何形状——当心脏跳动时,螺旋几何形状会产生扭曲的运动。长期以来,人们一直认为这种扭曲运动对大量泵血至关重要,但事实证明这很困难,部分原因是制造具有不同几何形状和排列的心脏具有挑战性。

  如今,美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)生物工程师使用一种新的增材纺织品制造方法(FRJS),开发了第一个具有螺旋排列跳动心脏细胞的人类心室生物杂交模型,并证明其肌肉排列确实会显著增加每次收缩时心室可以泵出的血液量。相关研究结果发表于7月7日出版的《科学》杂志。

  研究通讯作者、SEAS的Tarr家族生物工程和应用物理学教授Kevin Kit Parker表示,这项工作是器官生物制造向前迈出的重要一步,使人们更接近于建立用于移植的人体心脏的最终目标。

  SEAS博士后研究员、论文共同第一作者John Zimmerman说,该研究的目标是建立一个模型,从而测试心脏的螺旋结构是否对达到大的射血分数(即每次收缩时心室泵送的血液百分比)至关重要,并研究心脏螺旋结构的相对重要性。

  研究人员使用FRJS系统控制纤维的排列,从而在纤维上生长心脏细胞。FRJS的第一步就像棉花糖机一样——液体聚合物溶液被装入储层,并在设备旋转时被离心力从一个小开口推出。当溶液离开储层时,溶剂蒸发,聚合物凝固形成纤维。然后,当纤维沉积在收集器上时,集中的气流会控制纤维的方向。研究人员发现,通过倾斜和旋转收集器,流体中的纤维会在收集器旋转时缠绕和扭曲,模仿心肌的螺旋结构,改变收集器的角度可以调整纤维的排列。

  SEAS博士后研究员、论文共同第一作者Huibin Chang表示,人类心脏实际上有多层螺旋排列的肌肉,且角度不同。使用FRJS,能以非常精确的方式重建这些复杂的结构,形成单个甚至4个腔室结构。

  与3D打印不同,FRJS可以以单微米比例快速旋转纤维,大约相当于人类头发的1/50。当从头开始制造一颗心脏时,这一点很重要。以胶原蛋白为例,在这个分辨率下,3D打印人类心脏的每一点胶原蛋白需要100多年的时间,而FRJS可以在1天内完成。

  随后,研究人员分别在心室中植入大鼠心肌细胞或人干细胞来源的心肌细胞。大约1周内,几层薄薄的跳动组织覆盖在支架上,细胞沿着下面的纤维排列。跳动的心室模仿了人类心脏中相同的扭曲运动。

  研究人员比较了由螺旋排列纤维制成的心室和由圆周排列纤维制成的心室之间的变形、电信号速度和射出分数。他们发现,在每个方面,螺旋排列的组织的表现都优于圆周排列的组织。

  该团队还证明,这个过程可以扩展到实际人类心脏的大小,甚至大到小须鲸心脏的大小。除了生物制造,该团队还探索了FRJS平台的其他应用,如食品包装。(辛雨)


  
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