微动态丨心脏是个莫比乌斯环？《科学》新技术解开300年心脏螺旋之谜

▎药明康德内容团队编辑

说起心脏长什么样，我们想到的可能是由心肌组织堆积形成，形态犹如一颗桃子的器官。但早在300多年前，英国医师Richard Lower就注意到心脏的奇特结构：心肌纤维是以螺旋形态扭在一起的。

(资料图片)

到了20世纪70年代，西班牙医生Francisco Torrent-Guasp提出了一个理论：心肌组织形成的“心肌带”就如同一张纸条，经过3次螺旋扭曲，可以形成一个“8”字形的莫比乌斯环结构。不过，目前的理论并不能完全解释我们的心脏复杂程度。

心脏为什么要扭曲成复杂的结构？螺旋形的好处是什么？对此科学家提出了一些猜测，例如有利于心脏高效地泵出血液，但要验证其功能却十分困难。一个关键的限制因素就在于，科学家难以重建心脏精细、复杂的结构。

要重建一颗心脏模型，一种技术手段是3D打印，但3D打印微纳米尺度的效率非常低——如果用一个喷头来打印一颗分辨率达到胶原蛋白水平的心脏，需要惊人的100年。另一种盛行的技术是电纺，电纺可以解决微纳米尺度打印的效率问题，但这种技术同样存在致命缺陷，那就是无法控制微纳米纤维的堆积取向，尤其是在不规则的3D形状物体中。

当两种主流的技术都无法实现目标，新技术的开发势在必行。在最新一期《科学》杂志上，哈佛大学Kevin Kit Parker教授领导的研究团队通过一项全新的技术成功解决上述问题，打造出人体心脏的三维螺旋排列模型。这项研究成功证实了心脏螺旋结构的作用，而这项新技术也将在更多应用场景中展现出无尽的可能性。

这项新技术名为聚焦旋转喷射纺纱（Focused Rotary Jet Spinning, FRJS）。论文共同第一作者，Parker实验室的常会宾博士向我们介绍，正如FRJS名称所展示的，这项技术包含了两个主要步骤。

▲FRJS通过旋转喷射与聚焦两个过程，实现精准、高分辨率的纺纱（图片来源：参考资料[1]）

一是“旋转喷射”：在上图所示旋转圆盘的侧面有3个喷口，通过高速旋转产生的离心力可以喷射出聚合物溶液。离开喷口后，溶剂蒸发，聚合物就固化形成纤维——我们可以将这个过程想象成棉花糖的制作，如果没有其他作用的影响，喷出的纤维应该是沿着圆盘侧面逐层堆积。

而另一个步骤则是“聚焦”：一股垂直于圆盘的聚焦气流将刚刚离开喷口的纤维吹走，最终这些纤维会落在一根收集轴上。为了得到预期的结构形态，研究人员可以随时改变收集轴的角度以及收集模型的形状，使得纤维落在恰当的位置上，准确控制纤维的取向。

▲FRJS工作示意图（视频来源：参考资料[1]）

同时，这项技术通过创新性设计，实现了一项重要突破：同时进行喷丝与纺织这两个过程，并且两个过程相对独立，极大地提升了微纳米尺度的纺纱效率。

利用这一技术，研究团队成功打造出具有真实螺旋结构的心脏模型。FRJS可以让研究者严格按照心脏中心肌纤维螺旋排列的角度，重建单个甚至是4个心室的复杂心脏结构。而FRJS的效率同样惊人——前文中3D打印需要100年才能重建的微纳米尺度心脏模型，FRJS一天之内就能完成。

▲利用FRJS打造的全尺寸心脏模型（图片来源：参考资料[1]）

重建出心脏模型后，研究团队为心脏螺旋结构的功能提供了重要证据。作者分别纺织出螺旋心脏，以及心肌纤维同心圆排列的心脏结构，结果无论是信号传导速率、心脏收缩舒张时的心室变形情况，还是泵出血液体的能力，螺旋结构都表现更为优异。例如，体现泵血能力的射血分数，螺旋心脏是同心圆心脏的两倍。

▲通过控制收集轴的角度与形状，可以制造两心室心脏模型（视频来源：参考资料[1]）

因此，FRJS为我们理解心脏结构与功能的关系，提供了一个全新的窗口。研究团队还表示，这一过程还能制造不同尺寸的心脏：从小到老鼠的心脏，大到人的心脏，甚至到小须鲸的心脏。

而对于FRJS的开发者来说，在研究心脏结构中的应用，只是FRJS众多应用场景的冰山一角。近期，该团队还利用FRJS打造出一款用于保存食品的可降解纺纱，论文已发表于《自然·食品》期刊。（更多阅读：取代塑料！哈佛科学家开发杀菌、可降解的全新食物涂层）此外，从重建人体的血管、软骨等其他结构，到机器人与工程中的仿生，甚至是制造交通工具，我们期待，这项技术将在广阔的领域引领一场纺织革命。

参考资料：

[1] Huibin Chang, Qihan Liu et al., Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning.Science(2022). DOI: 10.1126/science.abl6395

[2] A major step forward for organ biofabrication. Retrieved July 7th, 2022 from https://www.seas.harvard.edu/news/2022/07/major-step-forward-organ-biofabrication

[3] Study: Making an artificial heart fit for a human — with focused rotary jet spinning, not 3D. Retrieved July 7th, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/958197

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