治疗严重或慢性软组织损伤（如皮肤和肌肉）是医疗保健中的一个挑战。当前的治疗方法不仅成本高昂且效果不佳，而且由于糖尿病、血管疾病等导致的慢性伤口以及人口老龄化趋势，这类问题预计会更加普遍。
一种有前景的治疗方法是将生物相容性材料植入伤口中，并在这些材料上接种活细胞（即微组织）。这些材料为干细胞或其他前体细胞提供了生长支架，帮助修复受损组织。然而，目前构建这些支架材料的技术存在一个反复出现的问题。人体组织具有独特的运动和弯曲方式，传统的软材料难以复制。如果这些支架被拉伸，嵌入其中的细胞也会被拉伸，这往往会导致细胞死亡。死亡的细胞会阻碍愈合过程，并可能引发意外的免疫反应。
“人体组织具有这种分层结构，实际上是在展开而不是拉伸，”麻省理工学院林肯实验室机械工程组的研究员史蒂夫·吉尔默说。“这就是为什么你拉伸自己的皮肤或肌肉时，细胞不会死亡。实际上发生的是你的组织稍微展开了一点，然后才开始拉伸。”
吉尔默是多学科研究团队的一员，该团队正在寻找解决这一拉伸问题的方法。他与麻省理工学院机械工程系教授郭明（Ming Guo）以及实验室的国防织物发现中心（DFDC）合作，编织新的织物，使其能够像人体组织一样展开和移动。
这个合作的想法源于吉尔默和郭明在麻省理工学院授课时的一次讨论。郭明一直在研究如何在能够模仿自然组织展开的新材料上培养干细胞。他选择了电纺纳米纤维，效果不错，但这些纤维难以制造成较长的长度，因此无法将其集成到更大的编织结构中用于大规模组织修复。
“史蒂夫提到林肯实验室有工业针织机，”郭明说。这些机器使他能够将重点转移到设计更大的编织结构上，而不是单根纱线。“我们立即通过实验室的内部支持开始测试新想法。”
吉尔默和郭明与DFDC合作，探索哪些编织图案可以像不同类型的软组织一样移动。他们从三种基本编织结构开始：互锁、罗纹和平针。
“平针就像你的T恤，当你拉伸T恤时，纱线环在进行拉伸，”DFDC的纺织专家艾米丽·霍尔茨曼说。“环越长，织物的拉伸能力就越强。对于罗纹，想想你毛衣的袖口。这种织物结构具有全局拉伸性，可以使织物像手风琴一样展开。”
互锁类似于罗纹，但编织得更密集，每英寸织物包含两倍的纱线。更多的纱线意味着更多的表面积可以嵌入细胞。“针织织物还可以设计成具有特定的孔隙率或水力渗透性，这些孔隙由织物的环和纱线尺寸创建，”团队中的另一位纺织专家艾琳·多兰补充道。“这些孔隙也有助于愈合过程。”
迄今为止，该团队已经进行了多项测试，将小鼠胚胎成纤维细胞和间充质干细胞嵌入不同的编织图案中，并观察当这些图案被拉伸时细胞的行为。每种图案都有变化，影响了织物的展开程度以及开始拉伸后的刚度。所有图案都显示出高细胞存活率，并且该团队在2024年获得了R&D 100奖，以表彰他们的编织设计。
吉尔默解释说，尽管该项目最初是为了治疗皮肤和肌肉损伤，但他们的织物有可能模仿许多不同类型的人体软组织，如软骨或脂肪。该团队最近提交了一份临时专利申请，概述了如何创建这些图案，并确定了应使用的适当材料来制作纱线。这些信息可以作为工具箱，调整不同的编织结构以匹配受伤组织的力学特性。
“对我来说，这个项目绝对是一次学习经历，”吉尔默说。“每个分支都有独特的专长，我认为没有他们的共同努力，这个项目是不可能完成的。我们整个团队的合作使我们能够扩大工作范围，解决更大、更复杂的问题。”
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