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說起心臟長什么樣，我們想到的可能是由心肌組織堆積形成，形態猶如一顆桃子的器官。但早在 300 多年前，英國醫師 Richard Lower 就注意到心臟的奇特結構：心肌纖維是以螺旋形態扭在一起的。

到了 20 世紀 70 年代，西班牙醫生 Francisco Torrent-Guasp 提出了一個理論：心肌組織形成的“心肌帶”就如同一張紙條，經過 3 次螺旋扭曲，可以形成一個“ 8 ”字形的莫比烏斯環結構。不過，目前的理論并不能完全解釋我們的心臟復雜程度。

心臟為什么要扭曲成復雜的結構？螺旋形的好處是什么？對此科學家提出了一些猜測，例如有利于心臟高效地泵出血液，但要驗證其功能卻十分困難。一個關鍵的限制因素就在于，科學家難以重建心臟精細、復雜的結構。

重建心臟模型全新技術

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

當兩種主流的技術都無法實現目標，新技術的開發勢在必行。在最新一期《科學》雜志上，哈佛大學 Kevin Kit Parker 教授領導的研究團隊通過一項全新的技術成功解決上述問題，打造出人體心臟的三維螺旋排列模型。這項研究成功證實了心臟螺旋結構的作用，而這項新技術也將在更多應用場景中展現出無盡的可能性。

這項新技術名為聚焦旋轉噴射紡紗（Focused Rotary Jet Spinning, FRJS）。論文共同第一作者，Parker 實驗室的常會賓博士向我們介紹，正如 FRJS 名稱所展示的，這項技術包含了兩個主要步驟。

FRJS 通過旋轉噴射與聚焦兩個過程，實現精準、高分辨率的紡紗

（圖片來源：參考資料 [ 1 ] ）

一是“旋轉噴射”：在上圖所示旋轉圓盤的側面有 3 個噴口，通過高速旋轉產生的離心力可以噴射出聚合物溶液。離開噴口后，溶劑蒸發，聚合物就固化形成纖維 —— 我們可以將這個過程想象成棉花糖的制作，如果沒有其他作用的影響，噴出的纖維應該是沿著圓盤側面逐層堆積。

而另一個步驟則是“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，最終這些纖維會落在一根收集軸上。為了得到預期的結構形態，研究人員可以隨時改變收集軸的角度以及收集模型的形狀，使得纖維落在恰當的位置上，準確控制纖維的取向。

FRJS 工作示意圖

（視頻來源：參考資料 [ 1 ] ）

同時，這項技術通過創新性設計，實現了一項重要突破：同時進行噴絲與紡織這兩個過程，并且兩個過程相對獨立，極大地提升了微納米尺度的紡紗效率。

利用這一技術，研究團隊成功打造出具有真實螺旋結構的心臟模型。FRJS 可以讓研究者嚴格按照心臟中心肌纖維螺旋排列的角度，重建單個甚至是 4 個心室的復雜心臟結構。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，FRJS 一天之內就能完成。

利用 FRJS 打造的全尺寸心臟模型

（圖片來源：參考資料 [ 1 ] ）

理解心臟結構與功能的關系

重建出心臟模型后，研究團隊為心臟螺旋結構的功能提供了重要證據。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構，結果無論是信號傳導速率、心臟收縮舒張時的心室變形情況，還是泵出血液體的能力，螺旋結構都表現更為優異。例如，體現泵血能力的射血分數，螺旋心臟是同心圓心臟的兩倍。

通過控制收集軸的角度與形狀，可以制造兩心室心臟模型

（視頻來源：參考資料 [ 1 ] ）

因此，FRJS 為我們理解心臟結構與功能的關系，提供了一個全新的窗口。研究團隊還表示，這一過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。

而對于 FRJS 的開發者來說，在研究心臟結構中的應用，只是 FRJS 眾多應用場景的冰山一角。近期，該團隊還利用 FRJS 打造出一款用于保存食品的可降解紡紗，論文已發表于《自然 · 食品》期刊。此外，從重建人體的血管、軟骨等其他結構，到機器人與工程中的仿生，甚至是制造交通工具，我們期待，這項技術將在廣闊的領域引領一場紡織革命。