美造出「萬能肌肉薄膜」 人造器官有望批量生產

2020-12-05 中國新聞網

　　還記得英國詩人雪萊的妻子瑪麗·雪萊在1818年創作的小說《弗蘭肯斯坦》嗎？這被認為是世界上第一部真正意義上的科幻小說。小說中的科學家弗蘭肯斯坦用各種人體器官拼湊出一個「人」，並用電擊使其「復活」。現代科學中的器官移植是一個複雜的過程，需要攻克排異、感染等諸多難關，而用各類器官組裝活人，只能存在於科幻小說中。但最近，美國科學家研發出一種新技術，給人體器官移植帶來了新希望。

　　據美國《科學》雜誌9月號報導，哈佛大學工程與應用科學院(DEAS)的研究人員，將老鼠心臟的肌肉細胞植覆在有彈性的膜狀基質上，製造出了具有良好生物機能的混合肌肉薄膜(MTF)。科學家將薄膜切割成不同形狀，制出的各種小裝置竟可以在電流作用下自如運動。研究人員表示，MTF最大的應用前景在於製造出人造器官。如果這種技術得以廣泛應用，將使器官移植變得十分簡單。

　　讓細胞組成「合唱團」

　　如今，器官移植早已走出了科幻小說。人類目前主要進行的是異體器官移植，由於器官捐獻者有限，加上技術難題，這種移植方法的局限性十分明顯。人造器官研究已成為生物學界的一個前沿領域。

　　與幾十年前相比，目前，科學界已經在機體組織替代材料上取得了很大進步，一些公司甚至已經開始大規模生產替代皮膚和軟骨。科學家們也曾嘗試過在膠體中培養心肌細胞等，但用這些技術製造出的人造肌肉材料，遠不能符合要求。

　　而四肢、心臟等很多重要人體器官的機能是由其肌肉組織決定的。肌肉組織的微觀運動，取決於肌細胞內一種被稱為「分子馬達」的蛋白質。要控制肌肉組織的運動，就必須讓肌細胞統一排列，這樣「分子馬達」才會受外界信號控制，實現複雜的彎曲、變形過程。而一個很小的肌肉組織裡就有上千億個細胞，要使如此多的細胞統一排列，簡直比登天還難。這也是多年來困擾科學家的一大難題。

　　哈佛大學的一位研究人員基特·帕克，卻通過特殊方法，成功解決了這一問題。一天，帕克在觀看歌劇院的合唱演出時注意到，合唱團前面一排成員站成一排後，後面的成員就會跟著依次排列，最後形成一個統一的整體。帕克從中受到啟發，他認識到，只要找到一種載體讓一些肌細胞統一排列，其他肌細胞就會按照這種次序排列。

　　帕克率領他的研究小組經過多年研究，終於找到了這種載體——纖粘蛋白(fibronectin)，它能讓單層肌細胞有序排列。他們首先在一種載玻片上設置一薄層熱敏聚合物材料，然後在其上添加一層具有很強活性的高乙烯基含量矽橡膠(PDMS)。利用特殊工藝，研究人員在這兩層襯底上「印」下了已成型的纖粘蛋白層，然後把小鼠的心肌細胞緊密附在該蛋白層之上。果然，當首批心肌細胞在膜狀基質的表面按一定方向排列之後，後面生長出來的肌細胞也沿著這個初始方向生長。培育數日後，研究人員降低溫度，熱敏聚合物、PDMS等支架部分就會脫離，剩下的就是具有良好彈性的混合肌肉薄膜(MTF)。

　　肌肉薄膜造出神奇裝置

　　研究人員目前已經製造出三角形、矩形等形狀的肌肉薄膜(MTF)，這些材料已經展現出完美的生物機能。MTF的運動特性隨形狀的不同而改變，這意味著，能通過改變形狀讓其發揮不同的作用。

　　為了測試MTF的性能，科學家們用它製造出了各種不同的神奇裝置，這些裝置都「聽命」於人，有會遊泳的機器人、人造爪子和微型機器人等。科學家使用電能來驅動這種新材料的運動，微弱的電流可以驅動肌肉細胞伸縮、變形，進而改變肌肉薄膜的形狀。

　　科學家們根據三角形MTF的特殊性質，製造出了一種形狀像斑馬魚的小裝置，它可以左右擺動尾部而產生前進的推力，以垂直姿態在水中沿著固定方向前進。科學家們使用肌肉薄膜製造出一種微型爬行機器人。這種機器人的身體呈圓形，背部的一條「腿」可以驅動機器人緩慢爬行運動。能夠自動捲起來的微型人造爪子，可以在通電的時候產生蜷縮，抓起並移動單個細胞。研究人員表示，這種人造爪子的使用前景十分廣闊，將可能在未來的生物工程中被製成專門抓取細胞的「生物起重機」。

　　雖然MTF在設計之初就不是為了打破什麼速度紀錄，到目前為止，人工肌肉每分鐘只能前進1英寸(約2.4釐米)，但科學家通過這一系列試驗，得到了一個「潛力股」——人造肌肉的生物機能確實可以與機體的肌肉組織一較高下。如果將這種特性充分發揮出來，人工肌肉在人造器官方面的應用潛力將不可限量。

　　人體器官有望批量生產

　　肌肉薄膜具有令人不可思議的生物機能，哈佛大學的研究人員基特·帕克及其研究小組的工作引起了廣泛關注。許多同行認為，帕克革命性地提高了人類操作細胞排列的能力，在製造複雜的人體器官方面取得了重大突破。但帕克和他的研究人員又看到了意義更深遠的東西。

　　帕克對外界表示，「沒有任何理由表明，MTF不能由其他種類的細胞組成」。例如，由心肌細胞組成的MTF可以替代人體心臟的病變組織，而用該技術還可製造出大量完美的皮膚組織，給嚴重燒傷的病人帶來希望。

　　該研究小組認為，目前的研究成果只是整個研究過程的冰山一角而已。科學家們正在嘗試在肌肉薄膜表面種植人體細胞，以研究這類材料製造人造器官和人體膜結構的可能性。人造膜結構在修補胃、腸道上的穿孔時，將會體現出驚人的價值。更令人振奮的是，新材料在手臂、腿、心臟等人體器官方面的應用。想像一下：醫生檢測出某人的器官發生了嚴重病變，解決辦法卻一點兒也不複雜，只需在體外「種」出一個一模一樣的器官，再將其移植到病人體內就可以了。整個過程就像換零件一樣簡單。有科學家甚至大膽預測，在本世紀末，諸如四肢、心臟等重要器官，將實現批量生產。

　　除了應用於器官移植外，新材料在其他方面的應用也不可估量。哈佛大學的研究人員帕克博士曾舉例說：「章魚可以使身體鑽進任何形狀的孔洞，並且可以向任何方向轉動。如果人造肌肉可以仿造章魚的運動模式，那我們就可以製造出『柔軟機器人』。」(森堡)


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