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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。
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。
重建心脏模型全新技术
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 ] ）
理解心脏结构与功能的关系
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。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。
原文地址：http://www.myzaker.com/article/630b89188e9f093612259412
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