Science：利用聚焦旋转喷射纺丝技术制造适合人类的人造心脏

多年来，科学家们推测，心脏的螺旋形排列和复杂的肌肉组织能更有效地将血液输送到整个身体。尽管由于很难在人造心脏中重现如此复杂和精巧的细节，研究这一现象被证明是困难的。

不过，在一项新的研究中，来自哈佛大学和匹兹堡大学的研究人员利用一种新的、更先进的方法来制造人工组织和器官。相关研究结果发表在2022年7月8日的Science期刊上，论文标题为“Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning”。

论文共同第一作者、匹兹堡大学斯万森工程学院助理教授Qihan Liu说，“制造模拟生物组织的材料是一个巨大的制造挑战。生物组织由各种复杂的空间变化排列的微/纳米纤维组成。这些纤维的排列是大自然对生物组织丰富的机械行为进行编程的方式。然而，目前还没有任何制造工具能够捕捉到这种复杂的排列。虽然普通的三维打印方法可以很容易地实现复杂的纤维排列，但三维打印不能以与组织工程相关的产量来打印纳米纤维。虽然已有的纳米纤维纺丝技术，如静电纺丝，能够批量生产高通量的纳米纤维，但复杂的纤维排列还没有实现。”

这些作者因此提出了聚焦旋转喷射纺丝（focused rotary jet spinning, FRJS）工艺。FRJS是一种利用离心纺丝快速成形纤维的增材制造方法。这些纤维随后在可控气流中聚焦、对齐并沉积到目标位置。通过使用气流，这种方法允许同时操纵数以千计的微/纳米纤维，从而确保高产量。通过特别设计的气流，FRJS可以制造出比目前的方法更复杂的三维纤维结构。

这些作者将他们的方法与其他两种生产人工器官和组织的方法---三维打印和纤维纺丝（fiber spinning）---相比较。尽管三维打印继续为人工器官和组织的发展做出重大贡献，但是他们反驳说，三维打印需要太长的时间来实现FRJS能够提供的细节和复杂性。

目前使用的另一种方法是纤维纺丝，它可以更快地生产，但没有FRJS那么多的细节或复杂性。因此，这些作者将FRJS作为一种以更及时的方式进行更复杂创作的方法。

为了展示FRJS在这种情况下的可能性，这些作者使用该工艺制造样品，包括一个全尺寸的纤维人类心脏模型，以展示制造复杂的三维结构的能力；一个三层双腔心室模型，以展示捕捉生物组织中复杂的纤维排列的能力；以及单层心室，其大小相当大鼠、猫、人类和12000磅的小鲸鱼，以展示制造工艺的可扩展性。他们还展示了像FRJS构建的这些模型如何被用来理解心脏内螺旋形细胞排列的功能。

然而，这些样品只是展示了用FRJS可以做什么。Liu说，“这篇论文只是展示了用这种方法可以做什么。一切都是可能的。”

Liu说，在未来，FRJS可以被用来重建血管、软骨和其他纤维增强的组织。这将为机器人、工程等领域模拟生物组织提供无数的可能性。用FRJ制成的纤维增强复合材料甚至可以与更轻的使用优化的纤维排列来更好地处理负载的纤维增强材料一起用于制造汽车和飞机。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Huibin Chang et al. Recreating the heart's helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning. Science, 2022, doi:10.1126/science.abl6395.

Michael V. Sefton et al. Hearts by design. Science, 2022, doi:10.1126/science.add0829.