美造出“万能肌肉薄膜” 人造器官有望批量生产

青年参考 2007-10-12 15:24:28

　　还记得英国诗人雪莱的妻子玛丽·雪莱在1818年创作的小说《弗兰肯斯坦》吗？这被认为是世界上第一部真正意义上的科幻小说。小说中的科学家弗兰肯斯坦用各种人体器官拼凑出一个“人”，并用电击使其“复活”。现代科学中的器官移植是一个复杂的过程，需要攻克排异、感染等诸多难关，而用各类器官组装活人，只能存在于科幻小说中。但最近，美国科学家研发出一种新技术，给人体器官移植带来了新希望。

　　据美国《科学》杂志9月号报道，哈佛大学工程与应用科学院(DEAS)的研究人员，将老鼠心脏的肌肉细胞植覆在有弹性的膜状基质上，制造出了具有良好生物机能的混合肌肉薄膜(MTF)。科学家将薄膜切割成不同形状，制出的各种小装置竟可以在电流作用下自如运动。研究人员表示，MTF最大的应用前景在于制造出人造器官。如果这种技术得以广泛应用，将使器官移植变得十分简单。

　　让细胞组成“合唱团”

　　如今，器官移植早已走出了科幻小说。人类目前主要进行的是异体器官移植，由于器官捐献者有限，加上技术难题，这种移植方法的局限性十分明显。人造器官研究已成为生物学界的一个前沿领域。

　　与几十年前相比，目前，科学界已经在机体组织替代材料上取得了很大进步，一些公司甚至已经开始大规模生产替代皮肤和软骨。科学家们也曾尝试过在胶体中培养心肌细胞等，但用这些技术制造出的人造肌肉材料，远不能符合要求。

　　而四肢、心脏等很多重要人体器官的机能是由其肌肉组织决定的。肌肉组织的微观运动，取决于肌细胞内一种被称为“分子马达”的蛋白质。要控制肌肉组织的运动，就必须让肌细胞统一排列，这样“分子马达”才会受外界信号控制，实现复杂的弯曲、变形过程。而一个很小的肌肉组织里就有上千亿个细胞，要使如此多的细胞统一排列，简直比登天还难。这也是多年来困扰科学家的一大难题。

　　哈佛大学的一位研究人员基特·帕克，却通过特殊方法，成功解决了这一问题。一天，帕克在观看歌剧院的合唱演出时注意到，合唱团前面一排成员站成一排后，后面的成员就会跟着依次排列，最后形成一个统一的整体。帕克从中受到启发，他认识到，只要找到一种载体让一些肌细胞统一排列，其他肌细胞就会按照这种次序排列。

　　帕克率领他的研究小组经过多年研究，终于找到了这种载体——纤粘蛋白(fibronectin)，它能让单层肌细胞有序排列。他们首先在一种载玻片上设置一薄层热敏聚合物材料，然后在其上添加一层具有很强活性的高乙烯基含量硅橡胶(PDMS)。利用特殊工艺，研究人员在这两层衬底上“印”下了已成型的纤粘蛋白层，然后把小鼠的心肌细胞紧密附在该蛋白层之上。果然，当首批心肌细胞在膜状基质的表面按一定方向排列之后，后面生长出来的肌细胞也沿着这个初始方向生长。培育数日后，研究人员降低温度，热敏聚合物、PDMS等支架部分就会脱离，剩下的就是具有良好弹性的混合肌肉薄膜(MTF)。

　　肌肉薄膜造出神奇装置

　　研究人员目前已经制造出三角形、矩形等形状的肌肉薄膜(MTF)，这些材料已经展现出完美的生物机能。MTF的运动特性随形状的不同而改变，这意味着，能通过改变形状让其发挥不同的作用。

　　为了测试MTF的性能，科学家们用它制造出了各种不同的神奇装置，这些装置都“听命”于人，有会游泳的机器人、人造爪子和微型机器人等。科学家使用电能来驱动这种新材料的运动，微弱的电流可以驱动肌肉细胞伸缩、变形，进而改变肌肉薄膜的形状。

　　科学家们根据三角形MTF的特殊性质，制造出了一种形状像斑马鱼的小装置，它可以左右摆动尾部而产生前进的推力，以垂直姿态在水中沿着固定方向前进。科学家们使用肌肉薄膜制造出一种微型爬行机器人。这种机器人的身体呈圆形，背部的一条“腿”可以驱动机器人缓慢爬行运动。能够自动卷起来的微型人造爪子，可以在通电的时候产生蜷缩，抓起并移动单个细胞。研究人员表示，这种人造爪子的使用前景十分广阔，将可能在未来的生物工程中被制成专门抓取细胞的“生物起重机”。