美国哈佛大学的 Adam Feinberg 及其同事研究发现,大鼠心肌细胞可以在塑料薄膜表面生长,而带有心肌细胞的薄膜能像真正的心肌一样扭转、收缩并产生搏动。研究者希望有朝一日这种薄膜能用于受损心肌的修补,并能有助于微型机器的发展。这项研究成果刊登于 2007 年 9 月 7 日出版的 Science。
这种薄膜的制备首先需要合成聚二甲基硅氧烷塑料薄膜,然后用纤维连接素在薄膜表面画出数条平行的直线。再将大鼠的心肌细胞种植在薄膜上,心肌细胞将沿所绘制的直线生长。这种方式使得所有的心肌细胞排列方向相同,从而能沿同一方向收缩。通过这种方法制备的薄膜与正常心肌纤维极其相似,可自发收缩或在外部电刺激下产生收缩。其优点在于制备方法简单,并且可切割成各种形状,但是薄膜必须保持适当的湿度以维持电解质和营养物质的平衡,以利于心肌细胞存活。虽然已有成功制备心肌纤维的先例,但是将其应用到临床却是极具挑战性的,问题之一便是人工制备的纤维在收缩和弯曲时难以产生足够的收缩力。然而这种薄膜的出现使得上述问题迎刃而解,通过适当的整合,这些人工肌肉的收缩力与实际心肌相差无几。研究者甚至设想将薄膜完全按照心肌纤维在心室内的方式排列,这样就可以模拟心脏的生物力学而完全替代心脏。最初,研究者仅仅希望能将此种薄膜作为人工补片应用于临床,但是当观察到心肌细胞收缩造成的薄膜弯曲时,Adam Feinberg 等意识到这种薄膜作为微型机器的巨大潜力。由这种材料制成的正方形补片可以随肌肉收缩而弯曲和伸展,在这个基础上,Adam Feinberg等进一步研发出可以握持和类似机械弹簧的薄膜;而三角形的补片可以随着肌肉细胞收缩而推动自身前进,就像在溶液中“游泳”,可望用于复制一些已灭绝物种的游泳方式,并且可作为深入了解海洋动物生物力学的工具。
目前,多项研究正亟需具备这种特性的薄膜,这些项目中的一些可能听起来更像是天方夜谭,例如,使用能在血流中“游泳”的微型自动化机器人清除血管的阻塞,通过能自发运动的纤毛清理呼吸道中的痰。研究者甚至设想这种装置能在患者心脏骤停时进行心内按摩。但真正将这项研究成果应用于临床尚需一定的时间和更多科学工作者的努力。
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