【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】各向異性結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在。骨骼肌、心肌、神經(jīng)等組織的定向結(jié)構(gòu)顯著影響其生理功能，其構(gòu)效關(guān)系如何，以及如何用仿細(xì)胞外基質(zhì)的水凝膠精準(zhǔn)重建仿生微觀定向結(jié)構(gòu)，是組織器官生物制造領(lǐng)域的重大關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)難題。傳統(tǒng)擠出式3D打印受限于噴嘴尺寸，擠出的水凝膠絲構(gòu)造單元(“體素”)直徑一般在百微米以上，難以制造匹配細(xì)胞尺度(十微米級)的各向異性特征。針對這一瓶頸，清華大學(xué)機(jī)械系生物制造團(tuán)隊歐陽禮亮課題組提出了一種亞體素定向纖維3D打印新方法，通過纖維原位轉(zhuǎn)變策略(Shear-extensional in situ particle-to-fibre transformation, SHIFT)，在常規(guī)擠出的水凝膠絲內(nèi)部原位產(chǎn)生高度定向、連續(xù)均勻的亞體素水凝膠纖維束結(jié)構(gòu)。這類細(xì)胞尺度的水凝膠纖維被證明能夠有效引導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞定向生長和組織成熟，在體外形成了已知最長的肌管結(jié)構(gòu)并展現(xiàn)了體內(nèi)組織修復(fù)的巨大應(yīng)用潛力。
 

　　該研究報道了“離散-連續(xù)”雙水相延伸流中液滴超大變形現(xiàn)象，揭示了多相軟材料在多物理場作用下的界面演變規(guī)律與連續(xù)定向結(jié)構(gòu)的生成機(jī)制，建立了“定向微環(huán)境—細(xì)胞行為—組織形成”之間的跨尺度關(guān)聯(lián)，為生物制造中結(jié)構(gòu)構(gòu)建與生物學(xué)效能之間關(guān)系的理解提供了新的手段和證據(jù)。本方法在宏觀結(jié)構(gòu)增材制造的同時，在構(gòu)造單元內(nèi)部同步進(jìn)行亞體素變形制造(等材制造)，代表了一種新的制造范式。相關(guān)研究成果以“水凝膠原位顆粒-纖維轉(zhuǎn)換三維打印”(In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing)為題，于2026年8月5日發(fā)表于《自然》(Nature)。
 

　　SHIFT方法選用一種“離散-連續(xù)”雙相墨水體系的設(shè)計，以微凝膠作為離散相，以另一種水凝膠基質(zhì)作為連續(xù)相，利用二者“互逆溫敏”的特性，在擠出過程中調(diào)控溫度實現(xiàn)巧妙的相態(tài)切換：升溫使離散相由凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪鲃拥娜苣z態(tài)液滴，同時連續(xù)相由溶膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z束態(tài)，形成物理約束。收縮流道產(chǎn)生的延伸流場驅(qū)動液態(tài)離散相沿擠出方向持續(xù)拉伸，由球形液滴轉(zhuǎn)變?yōu)橹睆?-30微米的長纖維(如圖1所示)。連續(xù)相基質(zhì)的快速自恢復(fù)特性將形變后的纖維結(jié)構(gòu)及時固定，維持其定向形貌。
 

　　結(jié)合模塊化的墨水設(shè)計，SHIFT 3D打印技術(shù)能夠制造可編程式的亞體素定向結(jié)構(gòu)，包括異質(zhì)定向纖維束，載顆粒定向結(jié)構(gòu)，球-絲共存的定向結(jié)構(gòu)等(圖2，左)。SHIFT的另一個技術(shù)應(yīng)用模式是SHIFT紡絲：通過去除連續(xù)相以釋放亞體素纖維，即可獲得均勻、連續(xù)的水凝膠微絲(圖2，右)。這種方法操作簡便，兼容多種水凝膠材料，彌補(bǔ)了10微米級水凝膠微絲制備方法的空白。
 

　　SHIFT 3D打印所構(gòu)建的各向異性結(jié)構(gòu)顯著促進(jìn)了周圍細(xì)胞的定向生長行為。研究團(tuán)隊在體外成功構(gòu)建了具有超長肌管(平均長度約1.1 mm)和自發(fā)收縮特性的工程化骨骼肌束。細(xì)胞在細(xì)胞尺度纖維引導(dǎo)下高度定向排列、融合分化，細(xì)胞核長徑比和取向一致性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法。RNA-seq分析進(jìn)一步證實，該結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)肌源性細(xì)胞向高能量代謝、低增殖、高分化的功能成熟狀態(tài)轉(zhuǎn)變。將工程化骨骼肌束植入小鼠體積性肌肉缺損(VML)模型后，可有效促進(jìn)肌纖維再生與組織結(jié)構(gòu)重建，使受損后肢的抓力、耐力與步長等運動功能恢復(fù)至接近健康水平(圖3)。
 

　　SHIFT紡絲所制備的纖維憑尺寸優(yōu)勢和材料泛用性，可作為犧牲模板構(gòu)建互連的類毛細(xì)血管網(wǎng)管腔，在不支持血管自組裝的基質(zhì)中誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞形成類毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)，有望解決微血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建難題。另外，團(tuán)隊還提出了水凝膠纖維輔助的類器官培養(yǎng)策略，將這類高含水量的水凝膠纖維微絲引入干細(xì)胞團(tuán)簇和類器官培養(yǎng)過程，可以作為物質(zhì)輸運通道有效解決細(xì)胞團(tuán)和類器官內(nèi)核缺乏氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的難題，促進(jìn)細(xì)胞團(tuán)和類器官的長大和成熟(圖3)。
 

　　清華大學(xué)機(jī)械系2026屆博士畢業(yè)生周德志和2023級博士生竇博瀚為論文共同第一作者，2023級博士生范世緣和2023級博士生黃鴻森(Hon Son Ooi)為論文共同第二作者，清華大學(xué)機(jī)械系歐陽禮亮副教授為論文通訊作者。機(jī)械系原科研助理韓凱、2025級博士生張雪凝、2022級博士生王楚芊、2021級博士生郭禹志，以及清華大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院那潔副教授、清華大學(xué)機(jī)械系何強(qiáng)副研究員、軍事醫(yī)學(xué)研究院吳海濤團(tuán)隊、中國科學(xué)院動物研究所顧奇團(tuán)隊參與了該項研究。項目得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、111創(chuàng)新引智基地、清華大學(xué)以及“清華大學(xué)先進(jìn)集體”生物制造團(tuán)隊的支持。
 

　　引用：機(jī)械系歐陽禮亮課題組提出“亞體素定向纖維3D打印”新方法-清華大學(xué)【引用時間：2026年8月11日】