民乐团厉害了
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像做棉花糖一样，打造一颗心脏，科大少年班学子参与
高分子科学前沿 中国科大校友 2022-07-17 11:05 发表于北京

哈佛大学Parker教授提出采用聚焦旋转射流纺丝法构建心脏的多尺度结构。建立了第一个人类心室与螺旋排列心肌细胞的生物混合模型，并表明肌肉排列确实可以显着增加心室在每次收缩时泵出血液量。这是一篇做棉花糖启发得到的Science论文，共同第一作者是哈佛博士、匹兹堡大学助理教授刘綦涵博士。

刘綦涵2006年从北京八一中学进入中国科大少年班学院教改试点班。他弹没弹过棉花糖不清楚，但肯定是音乐迷。曾是科大民乐团主力。刘綦涵在美国仍痴迷于音乐，他甚至自制乐器并命名为“空鼓”。

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解开一个 300 年的谜团
《高分子科学前沿》《Biomed科技》微信公号报道：1669 年，英国医生理查德·洛尔（Richard Lower）——他的同事约翰·洛克（John Locke）和患者查尔斯二世国王（King Charles II）——在他们开创性著作Tractatus de Corde中首次注意到心肌呈螺旋状排列。
在接下来的三个世纪里，医生和科学家们对心脏的结构有了更全面的了解，但这些螺旋状肌肉的用途仍然是迷，难以研究。
1969 年，阿拉巴马大学伯明翰医学院生物数学系前系主任爱德华·萨林 (Edward Sallin) 认为，心脏的螺旋排列对于实现大的射血分数（每次收缩时心室泵出多少血液的百分比）至关重要。
在医学临床实践中，一些心肌病症常常由于心脏内部肌肉组织排列结构的异变导致，因此研究心脏肌肉组织内的螺旋排列对于如何更有效促进心脏功能非常重要。但使用当前技术再现心脏肌肉组织的精细空间特征和多尺寸复杂结构具有挑战性，比如使用传统3D打印方式构建组织架构，以当前分辨率（约 250 μm 特征尺寸）打印细胞外基质（extra cellular matrix，ECM）组件需要数小时到数天，如果以原生特征尺寸（1 μm）打印 ECM 组件可能需要数百年。
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来自哈佛大学的Kevin Kit Parker教授提出采用聚焦旋转射流纺丝法（focused rotary jet spinning (FRJS)）来构建心脏的多尺度结构，包括受控排列和三维几何形状。建立了第一个人类心室与螺旋排列心肌细胞的生物混合模型，并表明肌肉排列确实可以显着增加心室在每次收缩时泵出血液量。相关论文以“Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning”为题，发表在Science上，第一作者为Chang Huibin和刘綦涵博士。刘綦涵（下图）来自北京八一中学，2006年进入中国科学技术大学少年班学院和民乐团(^_^)学习。他在哈佛大学获得博士学位，现在匹兹堡大学担任助理教授。。

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像一台棉花糖机
聚焦旋转射流纺丝法（focused rotary jet spinning (FRJS)）是一种增材制造方法，它使用离心喷射纺丝快速形成聚合物微/纳米纤维，然后通过受控气流进行聚焦和空间图案化。这种方法允许快速制造在三个维度上具有可编程纤维排列的纤维结构，因此以重建迄今为止通过当前生物制造技术无法获得的复杂解剖结构。
常规的静电纺丝、熔喷、拉纺和离心纺丝等方法可以形成微/纳米纤维，但通常不精确，无法准确地重新创建复杂的3D几何形状和对齐方式。而FRJS法，通过创建预制纤维的聚焦流来实现纤维形成和图案化的构建。图1说明如何利用FRJS法将纤维构筑在制定范围区域内制备复杂图案。FRJS 的第一步就像一台棉花糖机——将液态聚合物溶液装入储液罐中，并在设备旋转时通过离心力从一个微小的开口中推出。当溶液离开储存器时，溶剂蒸发，聚合物固化形成纤维。然后，当纤维沉积在收集器上时，聚焦气流控制纤维的方向。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，流中的纤维会在收集器旋转时对齐并扭曲，模仿心肌的螺旋结构。可以通过改变收集器的角度来调整纤维的排列。
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“人的心脏实际上有多层螺旋排列的肌肉，排列角度不同，”SEAS 博士后研究员、该论文的共同第一作者Chang Huibin说。“使用 FRJS，我们可以以非常精确的方式重建这些复杂的结构，形成单个甚至四个腔室结构。”
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图1 （A）人类心脏的螺旋排列示意图。( B和C ) 使用FRJS法实现纤维形成(B, i)和图案化(C)的构建。(B, ii) 纤维流的差分对比投影 (最大投影，比例尺，5 厘米)。( D )轴心上的聚己内酯图像（比例尺，5 毫米），以及相应的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，显示形成的排列规整的纤维（平均纤维直径，~900 纳米；比例尺，5 微米）。( E) 示意图显示收集角度 (θ) 与纤维沉积方向对齐 (i)，OOP 表示相对平均对齐 (误差范围, 平均值 ± SD) (ii)。SEM 显微照片（iii 到 v；分别为 0°、60° 和 90°）与相应的 2D 傅里叶变换插图，表明对齐程度基于收集角度（比例尺，5 μm）。( F ) 示意图显示基于角度 (i)、α 的HA纤维沉积，具有代表性的纤维涂层棒 (ii) 和重建的HA支架的断层扫描仪 (iii；比例尺，200 μm)。
FRJS 可以快速纺制单微米级的纤维——比头发小大约 50 倍。当开始建立一颗心脏时，这一点很重要。以胶原蛋白为例，它是心脏中的一种细胞外基质蛋白，直径也只有一微米。以这种分辨率，3D 打印人体心脏中的每一块胶原蛋白需要 100 多年的时间。FRJS 可以在一天内完成。
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图4 ( A ) 模拟心脏原生 ECM 排列的三层 DCV 的简化设计，制造过程共分四步。（B）（i）悬浮在收集轴心上的 DCV 的μCT成像，具有相应的冠状横截面；（ii）（比例尺，5 毫米）；(iii 至 v) 从室内隔膜拍摄的高倍μCT图像（以紫色突出显示），显示三层排列（比例尺，25 μm）。RV，右心室；LV，左心室。( C ) 用 NRVM 接种的培养物中的 DCV，从侧面观察 [(i)，冠状] 并观察两个腔室 [(ii)，横向]。( D ) 3D 挤压打印缩放为关于特征尺寸的幂律，表明 FRJS的吞吐量约为106是单微米特征的 3D 挤压打印的两倍。( E ) 不同物种的左心室宽度。(i 至 iv) 不同尺寸的单层心室，由于纤维生产率的提高，可以快速制造，同时保持单微米的特征尺度 [比例尺（从左到右），5 毫米；15毫米；4厘米；和 8 厘米）。( F ) 由单微米纤维组成的全尺寸四腔人类心脏模型（比例尺，2 厘米）。
之后，在心室上接种大鼠心肌细胞或人干细胞衍生的心肌细胞。在大约一周内，几层薄薄的跳动组织覆盖了支架，细胞跟随下方的纤维排列。跳动的心室可以模仿了人类心脏中存在的相同的扭曲或拧动运动。 研究人员比较了由螺旋排列纤维制成的心室和由圆周排列纤维制成的心室之间的心室变形、电信号速度和射血分数。他们发现，在每条战线上，螺旋排列的组织都优于周向排列的组织。
该团队还证明，该过程可以放大到实际人类心脏的大小，甚至更大，达到小须鲸心脏的大小（他们目前没有在更大的模型中植入细胞，因为这需要数十亿个心肌细胞）。
除了生物制造，该团队还探索了他们的 FRJS 平台的其他应用，例如食品包装。