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心臟作為多數動物生存不可或缺的器官，與身體大部分器官一樣，受到外傷時沒有大幅再生的能力。因此如何模擬心肌的結構，甚至於製造出一顆可供移植的人造心臟，是許多生物工程的研發目標，也對於未來心臟醫療的發展相當重要。不過心臟的結構本身並不單純，過去研究發現，在動物胸腔的心臟每次跳動都存在幾何的螺旋扭動，而這樣的螺旋扭動在理論上可以泵送更多的血液，但要複製這樣的結構在醫學工程格外的困難。由於人類的心臟其實是由多層螺旋狀肌肉層所組成，且每一層對齊的角度都略有不同，因此以過去的培養方法要模擬、創建這麼複雜的結構仍力有未逮。

美國哈佛工程與應用科學學院（Harvard John A. Paulson School Of Engineering And Applied Sciences）最近開發了第一個模擬人類心房，並具備螺旋扭動能力的心肌模型。他們證明肌肉細胞在正確排列的情況下，能非常有效的泵送血液、增加每次心房收縮送出的血液。

研究團隊採用了新穎的方法來培養心肌細胞，才得以產生擁有扭轉架構的心肌組織。此方法稱為「集中旋轉噴射旋轉」（focused rotary jet spinning, FRJS），能夠以螺旋的方式大量排列製造纖維材料，直徑從幾公分到幾奈米（nm）皆可。團隊使用FRJS系統來調整培養心肌細胞的纖維，使心肌細胞長成研究人員需要的螺旋結構。FRJS有點像是棉花糖機一樣，纖維的材料加熱融化後，會由持續旋轉的小開口噴出，噴出的纖維材料接觸到空氣凝固形成纖維；而在機器周圍以一定角度旋轉收集纖維材料，就可以獲得模擬心肌螺旋結構的纖維組成。

使用FRJS，團隊可以用非常精確的方式模仿整個結構。與常見的3D列印不同的是，FRJS處理精細結構的速度更快、而且製造出來的產品可以更細小。同樣製造複雜的膠原蛋白結構，3D列印需要近100年，而FRJS可以在一天之內完成。另外，FRJS的成品可以放入心肌細胞或來自幹細胞衍伸的心肌細胞進行培養，大約一週的時間，這些細胞內會覆蓋纖維且排列的角度，並且開始持續收縮。

除此之外，研究人員比較不同排列形式的模擬心室送出血液的效率，相較於同心圓排列的心肌細胞，螺旋排列而成的心室送血表現明顯更好，且在不同大小的心臟都發現了類似結果，使得科學家朝向製造真正可用的人造心臟邁向了更進一步。

新聞來源

1. Leah Burrows, A major step forward for organ biofabrication, Harvard John A. Paulson School Of Engineering And Applied Sciences, 2022/7/7.
2. Chang, H. et al. (2022). Recreating the Heart’s Helical Structure-Function Relationship with Focused Rotary Jet Spinning. Science,377(6602), 180–185.