在醫療領域，治療皮膚、肌肉等軟組織的嚴重損傷或慢性創傷一直是個棘手的難題。
就目前而言，臨床上常用的治療方法（比如植皮手術、敷料換藥等）不僅費用高昂，而且效果有限，患者往往需要忍受漫長的恢復過程。
隨著糖尿病、血管疾病患者數量增加以及人口老齡化趨勢加劇，慢性傷口的發病率預計將持續攀升，給醫療系統帶來沉重負擔。
近年來，一種頗具前景的生物治療方法正在興起，將接種了活細胞（即微組織）的生物相容性材料植入傷口。這些材料就像“細胞腳手架”一樣，能為幹細胞或其他前體細胞提供理想的生長環境，促進受損組織再生。
然而，當前構建這類“細胞腳手架”材料的技術卻頻頻遇阻。最大的技術瓶頸在於，人體組織具有獨特的力學特性和伸展方式，傳統軟材料難以精確模擬。比如，當人體皮膚被拉伸時，細胞會以特定方式變形適應，而現有支架材料難以實現這種精細調控。
當支架材料被拉伸時，嵌入其中的細胞也會被迫跟著拉伸，這種機械拉伸往往會導致細胞膜破裂、細胞骨架損傷，最終引發細胞死亡。
更嚴重的是，這些壞死的細胞不僅會釋放有害物質影響傷口癒合，還可能觸發身體的免疫排斥反應，導致炎症加重。
圖｜左側為未植入細胞的聯鎖組織顯微影像，右側展示了植入小鼠間充質幹細胞後的生長情況，綠色光點為存活細胞，紅色光點為死亡細胞（來源：MIT News）
來自麻省理工學院林肯實驗室機械工程小組的研究員 Steve Gillmer 正領導一支跨學科團隊探索這一醫學難題。他與麻省理工學院機械工程系教授郭明合作，並獲得了實驗室國防織物研發中心（DFFC）的支援，共同開發能精準模擬人體組織“解捲曲”特性的新型編織織物。
“人體組織具有分層的結構，就像拉開一卷雙面膠帶，組織延展時並非簡單拉伸，而是先逐步展開卷曲結構。”Steve Gillmer 解釋道，“換句話說，組織會先適度展開然後才真正延展。這種解捲曲機制保護了細胞免受機械損傷，這也正是為什麼我們在拉伸皮膚或肌肉時細胞不會死亡。”
此前，郭明一直在研究如何在新型材料上培養幹細胞，該材料能模擬自然組織的解捲曲過程。他曾選用靜電紡絲奈米纖維，效果雖好，但難以製備長距離的奈米纖維，這使得無法將其整合到更大的針織結構中，用於大面積的組織修復。
開展此項研究合作的契機源於二人在麻省理工學院授課時的交流。“Steve Gillmer 提到林肯實驗室有工業級編織機。”郭明回憶道。就好比給畫家提供了更大的畫布，這讓他得以將研究重點轉向設計更大規模的針織物，而非單獨的紗線。“於是我們馬上透過實驗室的內部支援啟動了新方案測試。”
接下來，Steve Gillmer 和郭明藉助國防織物研發中心的裝置，系統研究了不同針織結構與人體軟組織運動特性的匹配關係。
圖｜團隊最初測試的三種類型的針織結構，透過微調每種結構的設計引數，可使織物以不同方式解捲曲和延展，從而適配各類組織的力學特性（來源：MIT News）
研究團隊聚焦於聯鎖、羅紋和平針組織這三種最基礎的針織工藝展開系統性研究
“平針組織就像日常大家穿的 T 恤的面料結構。當拉伸 T 恤時，面料中的紗線環會像彈簧一樣延展，紗線環越長，織物能承受的拉伸度就越大。”國防織物研發中心的紡織專家 Emily Holtzman 介紹說，“羅紋就像毛衣袖口的彈性部分，這種織物結構整體具有拉伸性，使織物能像手風琴的風箱一樣自如伸縮。”
聯鎖結構與羅紋類似，但編織圖案更緊密，每英寸織物所含紗線數量是羅紋的兩倍。紗線越多，意味著可供嵌入細胞的表面積也就更大。
“透過調整線圈結構和紗線規格，我們能精準控制織物的孔隙率和透水性。這些微孔結構對促進傷口癒合至關重要。”團隊中的另一位紡織專家 Erin Doran 補充道。
目前，該團隊已開展了大量試驗。他們將小鼠胚胎成纖維細胞和間充質幹細胞嵌入不同的針織結構中，觀察在其拉伸時細胞的存活情況。
試驗結果顯示，所有織物在保持細胞高存活率的同時，其解捲曲程度和拉伸後的剛度均可調控。
圖｜Steve Gillmer 正在對一種生物可吸收編織物進行彈性測試，以評估其與人體各類組織的匹配程度（來源：MIT News）
Steve Gillmer 強調，這項研究的意義遠超出最初的預期。“雖然我們啟動這個專案的初衷是解決皮膚和肌肉損傷的治療難題，但隨著研究的深入，我們發現這種智慧編織織物的應用前景要廣闊得多。”他解釋道。
比如，透過調整編織引數和材料型別，這種技術可以模擬人體多種軟組織的獨特力學特性，從富有彈性的軟骨組織到柔軟可壓縮的脂肪組織等。
他和團隊近期已經申請了一項專利，詳細記錄了編織工藝引數及專用材料型別。這些引數資訊就像一個“生物組織仿生工具箱”，能幫助研究人員根據不同組織的需求進行“定製化編織”，比如軟骨修復需要更高剛度的支架，而脂肪組織再生則需要更柔軟多孔的結構。
“這個專案對我來說無疑是一次寶貴的學習經歷。團隊裡每個成員都有各自獨特的專業知識，正是這種協同創新，讓我們有能力攻克更復雜的醫學難題。”Steve Gillmer 總結道。
參考連結：
https://news.mit.edu/2025/knitted-microtissue-can-accelerate-healing-0305