美国哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的生物工程师们，开发了首个人类心室的生物混合模型，该模型具有呈螺旋状排列的跳动的心肌细胞。他们还证明，特定的肌肉排列方式确实可以显著增加心室每次收缩时的泵血量。

这一进步是生物工程师们利用一种新的增材纺织制造方法——聚焦旋转喷射纺丝（FRJS）实现的。该方法能够高通量制造直径从数百纳米到几微米不等的螺旋排列纤维。FRJS由SEAS生物工程和应用物理学教授基特·帕克领导的疾病生物物理学小组研发。

该研究论文发表在美国《科学》周刊上。论文资深作者帕克说：“在器官生物制造领域，该研究是向前迈出的重要一步，它让我们距离制造一颗用于移植的人类心脏的最终目标更近一步。”

这项研究源于一个古老的谜团。1669年，英国医生理查德·洛尔在他的开创性著作《心脏学论》中首次指出，心肌呈螺旋状排列。在接下来的3个世纪里，医生和科学家们对心脏的结构有了更全面的了解，但令人沮丧的是，研究这些呈螺旋状排列的肌肉的功能难度仍很高。

1969年，美国亚拉巴马大学伯明翰医学院生物数学系的爱德华·萨林认为，心肌呈螺旋状排列对于射血分数达到较高水平至关重要。射血分数指的是，心室每次收缩时泵出血液的百分比。

SEAS的博士后研究员、该论文的共同第一作者约翰·齐默尔曼说：“我们的目标是建立一个模型，我们能够利用它来验证萨林的假设，并研究心肌螺旋结构的相对重要性。”SEAS的研究人员利用FRJS系统来控制纺出纤维的排列方式，他们可以在这些纤维上培育心肌细胞。

FRJS第一步的原理与棉花糖机类似——将液态聚合物溶液装入储液罐中，并在设备旋转时利用离心力将溶液从一个微小的开口中甩出。随着溶液离开储液罐，溶剂蒸发，聚合物凝固形成纤维。然后，随着纤维沉积在收集器上，一股集中气流会控制纤维的方向。研究小组发现，通过倾斜和旋转收集器，纤维会围绕收集器排列并弯曲，从而模仿心肌的螺旋结构。可以通过改变收集器的角度来调整纤维的排列方式。

FRJS能够快速纺出单微米级的纤维——直径不足一根人类头发丝的1/50。当涉及从头开始制造一颗心脏时，这一点很重要。比如，胶原蛋白的直径只有1微米。在这一分辨率水平，3D打印人类心脏中的所有胶原蛋白需要100多年时间。而FRJS可以在一天内完成。

之后，研究小组利用FRJS方法制造的心室会被植入大鼠心肌细胞或由人类干细胞衍生的心肌细胞。在大约一周的时间里，几层薄薄的跳动的组织覆盖了支架，细胞依照下面纤维的排列方式排列。

这些跳动的心室模仿了人类心脏中的扭转运动。研究人员比较了由螺旋排列纤维制成的心室和由圆周方向排列纤维制成的心室的变形情况、电信号传输速度和射血分数，他们发现，前者在各方面都优于后者。该研究小组还证明，这一过程的规模可以扩展到真正的人类心脏大小，甚至更大，达到小须鲸心脏的大小。