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說(shuō)起心臟長(zhǎng)什么樣，我們想到的可能是由心肌組織堆積形成，形態(tài)猶如一顆桃子的器官。但早在 300 多年前，英國(guó)醫(yī)師 Richard Lower 就注意到心臟的奇特結(jié)構(gòu)：心肌纖維是以螺旋形態(tài)扭在一起的。

到了 20 世紀(jì) 70 年代，西班牙醫(yī)生 Francisco Torrent-Guasp 提出了一個(gè)理論：心肌組織形成的“心肌帶”就如同一張紙條，經(jīng)過(guò) 3 次螺旋扭曲，可以形成一個(gè)“ 8 ”字形的莫比烏斯環(huán)結(jié)構(gòu)。不過(guò)，目前的理論并不能完全解釋我們的心臟復(fù)雜程度。

心臟為什么要扭曲成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)？螺旋形的好處是什么？對(duì)此科學(xué)家提出了一些猜測(cè)，例如有利于心臟高效地泵出血液，但要驗(yàn)證其功能卻十分困難。一個(gè)關(guān)鍵的限制因素就在于，科學(xué)家難以重建心臟精細(xì)、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

重建心臟模型全新技術(shù)

要重建一顆心臟模型，一種技術(shù)手段是3D 打印，但3D 打印微納米尺度的效率非常低—— 如果用一個(gè)噴頭來(lái)打印一顆分辨率達(dá)到膠原蛋白水平的心臟，需要驚人的 100 年。另一種盛行的技術(shù)是電紡，電紡可以解決微納米尺度打印的效率問(wèn)題，但這種技術(shù)同樣存在致命缺陷，那就是無(wú)法控制微納米纖維的堆積取向，尤其是在不規(guī)則的 3D 形狀物體中。

當(dāng)兩種主流的技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，新技術(shù)的開發(fā)勢(shì)在必行。在最新一期《科學(xué)》雜志上，哈佛大學(xué) Kevin Kit Parker 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一項(xiàng)全新的技術(shù)成功解決上述問(wèn)題，打造出人體心臟的三維螺旋排列模型。這項(xiàng)研究成功證實(shí)了心臟螺旋結(jié)構(gòu)的作用，而這項(xiàng)新技術(shù)也將在更多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出無(wú)盡的可能性。

這項(xiàng)新技術(shù)名為聚焦旋轉(zhuǎn)噴射紡紗（Focused Rotary Jet Spinning, FRJS）。論文共同第一作者，Parker 實(shí)驗(yàn)室的常會(huì)賓博士向我們介紹，正如 FRJS 名稱所展示的，這項(xiàng)技術(shù)包含了兩個(gè)主要步驟。

FRJS 通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴射與聚焦兩個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高分辨率的紡紗

（圖片來(lái)源：參考資料 [ 1 ] ）

一是“旋轉(zhuǎn)噴射”：在上圖所示旋轉(zhuǎn)圓盤的側(cè)面有 3 個(gè)噴口，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可以噴射出聚合物溶液。離開噴口后，溶劑蒸發(fā)，聚合物就固化形成纖維 —— 我們可以將這個(gè)過(guò)程想象成棉花糖的制作，如果沒(méi)有其他作用的影響，噴出的纖維應(yīng)該是沿著圓盤側(cè)面逐層堆積。

而另一個(gè)步驟則是“聚焦”：一股垂直于圓盤的聚焦氣流將剛剛離開噴口的纖維吹走，最終這些纖維會(huì)落在一根收集軸上。為了得到預(yù)期的結(jié)構(gòu)形態(tài)，研究人員可以隨時(shí)改變收集軸的角度以及收集模型的形狀，使得纖維落在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙希?strong>準(zhǔn)確控制纖維的取向。

FRJS 工作示意圖

（視頻來(lái)源：參考資料 [ 1 ] ）

同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)重要突破：同時(shí)進(jìn)行噴絲與紡織這兩個(gè)過(guò)程，并且兩個(gè)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，極大地提升了微納米尺度的紡紗效率。

利用這一技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功打造出具有真實(shí)螺旋結(jié)構(gòu)的心臟模型。FRJS 可以讓研究者嚴(yán)格按照心臟中心肌纖維螺旋排列的角度，重建單個(gè)甚至是 4 個(gè)心室的復(fù)雜心臟結(jié)構(gòu)。而 FRJS 的效率同樣驚人 —— 前文中 3D 打印需要 100 年才能重建的微納米尺度心臟模型，F(xiàn)RJS 一天之內(nèi)就能完成。

利用 FRJS 打造的全尺寸心臟模型

（圖片來(lái)源：參考資料 [ 1 ] ）

理解心臟結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

重建出心臟模型后，研究團(tuán)隊(duì)為心臟螺旋結(jié)構(gòu)的功能提供了重要證據(jù)。作者分別紡織出螺旋心臟，以及心肌纖維同心圓排列的心臟結(jié)構(gòu)，結(jié)果無(wú)論是信號(hào)傳導(dǎo)速率、心臟收縮舒張時(shí)的心室變形情況，還是泵出血液體的能力，螺旋結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)更為優(yōu)異。例如，體現(xiàn)泵血能力的射血分?jǐn)?shù)，螺旋心臟是同心圓心臟的兩倍。

通過(guò)控制收集軸的角度與形狀，可以制造兩心室心臟模型

（視頻來(lái)源：參考資料 [ 1 ] ）

因此，F(xiàn)RJS 為我們理解心臟結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，提供了一個(gè)全新的窗口。研究團(tuán)隊(duì)還表示，這一過(guò)程還能制造不同尺寸的心臟：從小到老鼠的心臟，大到人的心臟，甚至到小須鯨的心臟。

而對(duì)于 FRJS 的開發(fā)者來(lái)說(shuō)，在研究心臟結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，只是 FRJS 眾多應(yīng)用場(chǎng)景的冰山一角。近期，該團(tuán)隊(duì)還利用 FRJS 打造出一款用于保存食品的可降解紡紗，論文已發(fā)表于《自然 · 食品》期刊。此外，從重建人體的血管、軟骨等其他結(jié)構(gòu)，到機(jī)器人與工程中的仿生，甚至是制造交通工具，我們期待，這項(xiàng)技術(shù)將在廣闊的領(lǐng)域引領(lǐng)一場(chǎng)紡織革命。