忘记弗兰肯斯坦：研究人员找到治愈身体、拯救生命的新方法

在玛丽•雪莱的《弗兰肯斯坦》中，维克多•弗兰肯斯坦博士在一个伪科学和野心出错的故事中构建了一个虚构的生物。为了让18世纪的读者着迷，将身体部位缝合在一起的“科学”完全是假的——但恐惧是真实的。
今天，美国国家科学基金会资助的研究人员正在科学和工程的多个领域为一个完全不同的目的工作：治愈患病器官和伤口，改善手术结果，帮助烧伤受害者，提高我们的总体生活质量。
详细了解可能帮助世界各地人们的五种技术。

3D打印心肌
随着过去十年的进步，3D打印已经走在构建心脏组织和结构的最前沿，为发现心脏病的新疗法提供了更好的平台。
现在，国家科学基金会资助的研究人员已经证明，注入明胶纤维的水凝胶墨水能够使3D打印的心肌跳动。这种墨水“能够流过打印喷嘴，但一旦打印出结构，它就会保持其3D形状，”哈佛大学工程与应用科学学院的研究员Suji Choi说，“由于这些特性，我发现可以在不使用额外支撑材料或支架的情况下打印心室状结构和其他复杂的3D形状。”
当电刺激应用于用特殊墨水制成的3D打印结构时，它会导致类似于真实心脏泵血的收缩。最终，生物工程师甚至可以制造出可以治愈或替换病人心脏衰竭部分的植入式组织。

植物启发的手术技术
利用钩子，毛刺可以锁住任何靠近它们的东西，比如织物或毛皮。美国国家科学基金会资助的圣路易斯华盛顿大学工程机械生物学中心的研究人员利用这些钩子的工作模式，正在开发一种新的外科方法，将肌腱重新连接到骨头上，这在许多外科手术中都需要。
对于修复肩部撕裂的肩袖肌腱等手术，这种情况影响了超过30%的60岁以上人口，目前的缝合方法无法均匀分布压力，导致高达94%的失败率。研究人员说，新策略有望平衡缝线之间的力量，减少愈合肌腱的压力，并有可能使修复强度比目前的方法增加一倍。
哥伦比亚大学斯塔夫罗斯•托莫普洛斯实验室正在对这种新缝合方法进行临床前测试。托莫普洛斯说：“实验室目前的实验正在评估受搭便车植物启发的缝合行间距如何影响肩袖修复强度。”研究人员估计，改进后的技术可以在两年内用于手术。

细胞“胶水”
粘附分子自然存在于全身，以高度组织的模式将数十万亿细胞聚集在一起。它们形成结构，创造神经元回路，引导免疫细胞到达目标，促进细胞之间的交流，以保持身体作为一个自我调节的整体运作。
加州大学旧金山分校由国家科学基金会资助的研究人员已经改造了像“细胞胶水”一样的分子，使他们能够精确地指导细胞如何相互结合。工程细胞含有定制的粘附分子，这些分子以可预测的方式与特定的伴侣细胞结合，形成复杂的多细胞集合。
加州大学旧金山分校的生化学家温德尔•林说：“我们能够以一种允许我们控制它们与哪些细胞互动的方式来设计细胞，并控制这种互动的性质。”“这为构建组织和器官等新结构打开了大门。”
这些发现还有其他应用。例如，研究人员可以设计组织来模拟疾病状态，以便更容易在人体组织中研究它们。

自愈电子皮肤
人类皮肤能够感知温度、压力和质地，以及拉伸和弯曲，并在身体和环境之间提供屏障。国家科学基金会资助的研究人员处于开发自我修复电子皮肤的前沿，这种皮肤在切割时会重新排列。
皮肤是由层组成的，并具有用原始分层结构重建组织的机制。斯坦福大学工程师克里斯•库珀说：“对于真正的‘皮肤’，层应该自然自主地重新排列。”
该团队也许能够创造出多层合成皮肤，每层功能层薄至微米——薄到10层或更多层的堆叠不会比一张纸厚。库珀说：“这是模仿人类皮肤的关键一步，人类皮肤有多层，在愈合过程中都能正确重组。”

用于监测健康的低成本、可穿戴传感器
国家科学基金会资助的研究人员创造了一种易于使用、负担得起、防水、可穿戴传感器来监测多种生命体征。这些神秘的传感器是由什么制成的？每个科学家都信任的两个朋友：铅笔和纸！传感器还具有超疏水涂层，使其防水。
“在这种情况下，我们希望测量气体分子、温度和电生理信号，”宾夕法尼亚州立大学的工程师Huanyu“Larry”Chen说。“如果我们受到水分或快速湿度的干扰，信号和机械稳健性将受到损害。这就是为什么我们设计了超疏水涂层，使传感器实际上防水。”
研究人员使用了一种二氧化硅疏水涂层，该涂层已用于其他传感器，但从未用于纸上铅笔传感器。这些传感器还设计为可拉伸的，使其可穿戴在皮肤上。
除了捕捉温度和气体分子，传感器还可以捕捉电生理动作来监测肌肉运动、心血管活动和大脑信号。该设备还具有刺激潜力；例如，传感器可以通过向皮肤发送电流来进行热疗。
所以，你有了它——五项突破性的国家科学基金会驱动的技术，与弗兰肯斯坦博士的工作不同，它们一点也不可怕。
阿利斯特•纳尔逊，Allister是美国国家科学基金会的科学传播者，在那里她撰写和开发关于NSF支持的科学和工程的故事和网络内容。她的工作侧重于广泛的主题，专业是生物学和环境科学，其中她在威廉和玛丽学院主修双学位。在来到NSF之前，她在环境非营利组织有很长的职业生涯，并在可再生能源领域工作，同时还为能源部和国立卫生研究院提供咨询。作为一名多年的科学编辑，她知道并珍惜权力语言必须以书面文字揭示我们周围自然世界的奥秘。她的作品出现在健康传播前沿，可再生能源杂志，POWER杂志和其他各种场所。