在醫(yī)療領(lǐng)域，治療皮膚、肌肉等軟組織的嚴(yán)重?fù)p傷或慢性創(chuàng)傷一直是個(gè)棘手的難題。
就目前而言，臨床上常用的治療方法（比如植皮手術(shù)、敷料換藥等）不僅費(fèi)用高昂，而且效果有限，患者往往需要忍受漫長(zhǎng)的恢復(fù)過程。
隨著糖尿病、血管疾病患者數(shù)量增加以及人口老齡化趨勢(shì)加劇，慢性傷口的發(fā)病率預(yù)計(jì)將持續(xù)攀升，給醫(yī)療系統(tǒng)帶來沉重負(fù)擔(dān)。
近年來，一種頗具前景的生物治療方法正在興起，將接種了活細(xì)胞（即微組織）的生物相容性材料植入傷口。這些材料就像“細(xì)胞腳手架”一樣，能為干細(xì)胞或其他前體細(xì)胞提供理想的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)受損組織再生。
然而，當(dāng)前構(gòu)建這類“細(xì)胞腳手架”材料的技術(shù)卻頻頻遇阻。最大的技術(shù)瓶頸在于，人體組織具有獨(dú)特的力學(xué)特性和伸展方式，傳統(tǒng)軟材料難以精確模擬。比如，當(dāng)人體皮膚被拉伸時(shí)，細(xì)胞會(huì)以特定方式變形適應(yīng)，而現(xiàn)有支架材料難以實(shí)現(xiàn)這種精細(xì)調(diào)控。
當(dāng)支架材料被拉伸時(shí)，嵌入其中的細(xì)胞也會(huì)被迫跟著拉伸，這種機(jī)械拉伸往往會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂、細(xì)胞骨架損傷，最終引發(fā)細(xì)胞死亡。
更嚴(yán)重的是，這些壞死的細(xì)胞不僅會(huì)釋放有害物質(zhì)影響傷口愈合，還可能觸發(fā)身體的免疫排斥反應(yīng)，導(dǎo)致炎癥加重。
來自麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室機(jī)械工程小組的研究員 Steve Gillmer 正領(lǐng)導(dǎo)一支跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)探索這一醫(yī)學(xué)難題。他與麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系教授郭明合作，并獲得了實(shí)驗(yàn)室國(guó)防織物研發(fā)中心（DFFC）的支持，共同開發(fā)能精準(zhǔn)模擬人體組織“解卷曲”特性的新型編織織物
“人體組織具有分層的結(jié)構(gòu)，就像拉開一卷雙面膠帶，組織延展時(shí)并非簡(jiǎn)單拉伸，而是先逐步展開卷曲結(jié)構(gòu)?！盨teve Gillmer 解釋道，“換句話說，組織會(huì)先適度展開然后才真正延展。這種解卷曲機(jī)制保護(hù)了細(xì)胞免受機(jī)械損傷，這也正是為什么我們?cè)诶炱つw或肌肉時(shí)細(xì)胞不會(huì)死亡。”
此前，郭明一直在研究如何在新型材料上培養(yǎng)干細(xì)胞，該材料能模擬自然組織的解卷曲過程。他曾選用靜電紡絲納米纖維，效果雖好，但難以制備長(zhǎng)距離的納米纖維，這使得無法將其整合到更大的針織結(jié)構(gòu)中，用于大面積的組織修復(fù)。
開展此項(xiàng)研究合作的契機(jī)源于二人在麻省理工學(xué)院授課時(shí)的交流。“Steve Gillmer 提到林肯實(shí)驗(yàn)室有工業(yè)級(jí)編織機(jī)?！惫骰貞浀?。就好比給畫家提供了更大的畫布，這讓他得以將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)更大規(guī)模的針織物，而非單獨(dú)的紗線?！坝谑俏覀凂R上通過實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部支持啟動(dòng)了新方案測(cè)試?！?/p>
接下來，Steve Gillmer 和郭明借助國(guó)防織物研發(fā)中心的設(shè)備，系統(tǒng)研究了不同針織結(jié)構(gòu)與人體軟組織運(yùn)動(dòng)特性的匹配關(guān)系。
研究團(tuán)隊(duì)聚焦于聯(lián)鎖、羅紋和平針組織這三種最基礎(chǔ)的針織工藝展開系統(tǒng)性研究
“平針組織就像日常大家穿的 T 恤的面料結(jié)構(gòu)。當(dāng)拉伸 T 恤時(shí)，面料中的紗線環(huán)會(huì)像彈簧一樣延展，紗線環(huán)越長(zhǎng)，織物能承受的拉伸度就越大?！眹?guó)防織物研發(fā)中心的紡織專家 Emily Holtzman 介紹說，“羅紋就像毛衣袖口的彈性部分，這種織物結(jié)構(gòu)整體具有拉伸性，使織物能像手風(fēng)琴的風(fēng)箱一樣自如伸縮。”
聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)與羅紋類似，但編織圖案更緊密，每英寸織物所含紗線數(shù)量是羅紋的兩倍。紗線越多，意味著可供嵌入細(xì)胞的表面積也就更大。
“通過調(diào)整線圈結(jié)構(gòu)和紗線規(guī)格，我們能精準(zhǔn)控制織物的孔隙率和透水性。這些微孔結(jié)構(gòu)對(duì)促進(jìn)傷口愈合至關(guān)重要。”團(tuán)隊(duì)中的另一位紡織專家 Erin Doran 補(bǔ)充道。
目前，該團(tuán)隊(duì)已開展了大量試驗(yàn)。他們將小鼠胚胎成纖維細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞嵌入不同的針織結(jié)構(gòu)中，觀察在其拉伸時(shí)細(xì)胞的存活情況。
試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有織物在保持細(xì)胞高存活率的同時(shí)，其解卷曲程度和拉伸后的剛度均可調(diào)控。
Steve Gillmer 強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)超出最初的預(yù)期?！半m然我們啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目的初衷是解決皮膚和肌肉損傷的治療難題，但隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)這種智能編織織物的應(yīng)用前景要廣闊得多?！彼忉尩?。
比如，通過調(diào)整編織參數(shù)和材料類型，這種技術(shù)可以模擬人體多種軟組織的獨(dú)特力學(xué)特性，從富有彈性的軟骨組織到柔軟可壓縮的脂肪組織等。
他和團(tuán)隊(duì)近期已經(jīng)申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，詳細(xì)記錄了編織工藝參數(shù)及專用材料類型。這些參數(shù)信息就像一個(gè)“生物組織仿生工具箱”，能幫助研究人員根據(jù)不同組織的需求進(jìn)行“定制化編織”，比如軟骨修復(fù)需要更高剛度的支架，而脂肪組織再生則需要更柔軟多孔的結(jié)構(gòu)。
“這個(gè)項(xiàng)目對(duì)我來說無疑是一次寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。團(tuán)隊(duì)里每個(gè)成員都有各自獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)，正是這種協(xié)同創(chuàng)新，讓我們有能力攻克更復(fù)雜的醫(yī)學(xué)難題。”Steve Gillmer 總結(jié)道。
https://news.mit.edu/2025/knitted-microtissue-can-accelerate-healing-0305
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