巧用“液晶态”，登上Science！

利用“活材料”内嵌的液晶态力场，成功“编程”细胞组织，像折纸一样精确折叠成三维结构

从胚胎发育到器官形成，扁平细胞片如何自主折叠成复杂三维结构，是生物学领域长期探索的核心问题之一。这一过程在生物体内由精密的分子信号与机械力协同调控，但如何在体外系统中重现并精准控制这一过程，一直是组织工程、合成生物学和软体机器人领域的重大挑战。尽管科学家已在自下而上的组织构建方面取得进展，但实现对组织形状转变的精确编程仍然困难重重。关键障碍在于，如何在可控且可预测的方式下，引导细胞组织内部产生大规模、有序的力场分布。

西班牙巴塞罗那科学研究院Xavier Trepat教授、Marino Arroyo教授、Pau Guillamat教授及其同事提出了一种突破性的策略：通过调控细胞单层中“向列相液晶态”的有序排列和拓扑缺陷，来预编程组织内部的应力场，从而引导组织在脱离基底后自发折叠成预设的三维形状。研究团队将成纤维细胞培养在软质基底上，利用各向异性的微图案技术引导细胞定向排列，构建出具有特定向错构型的“细胞向列弹性体”。实验结合理论模型表明，这种由细胞主动收缩力驱动的、受向列相序调控的应力模式，会在组织从基底上剥离后，通过高斯形变机制驱动组织发生可控的离面屈曲，最终形成碗状、多瓣状等复杂三维形态。相关论文以“Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces”为题，发表在Science上。

向错：细胞组织中的“力学指挥家”

为了探究无约束细胞向列体中的力与形态发生潜能，研究团队首先培养NIH-3T3成纤维细胞单层。结果显示，这些细胞单层展现出长程向列相有序性，并在局部出现±1/2拓扑向错——这就像液晶显示器中分子排列发生扭曲的“缺陷点”。通过牵引力显微镜和单层应力显微镜分析发现，高牵引力区域集中在向错核心附近，而整体应力场呈现各向异性：+1/2向错在其尾部产生强拉伸区，头部前方为压缩区；-1/2向错则呈现三重对称的应力模式。这些应力模式在数百个向错上的平均分析中得到了验证，且随时间保持稳定。当研究者用胶原酶将组织从基底上快速剥离后，组织首先沿应力场方向发生面内收缩，随后在几分钟内产生离面褶皱，形成自由漂浮的起伏结构。激光烧蚀实验表明，这些结构内部仍保留残余张力，处于弹性受限的三维构型中。

图1. 无约束细胞向列体的力学与3D重塑。 (A) 成纤维细胞单层的相差图像，叠加了相应的取向场（绿色线段）。红色和蓝色符号标记±1/2拓扑向错的位置。 (B) (A)中单层施加的牵引力场。牵引力矢量以黑色表示，彩色地图表示其幅度。插图为细胞取向与牵引力矢量之间角度的分布。 (C) 根据(B)中的牵引力场推断出的应力场。黑色双箭头表示正应力（拉伸），青色双箭头表示负应力（压缩）。彩色地图表示平均应力。本文中我们考虑二维应力（厚度积分），单位为表面张力。插图显示细胞取向与最大拉伸方向之间角度的分布。极坐标直方图根据15个视野计算，每个视野30个时间点，跨越10小时。 (D) +1/2（左）和-1/2（右）拓扑向错的平均细胞取向和牵引力场。黑色线段表示平均细胞取向。白色矢量表示牵引力。彩色地图表示径向牵引分量的幅度。牵引力场在1小时内平均（n+ = 354, n- = 357）。 (E) 根据(D)中的平均牵引力场推断出的+1/2（左）和-1/2（右）拓扑向错的平均应力场（黑色：拉伸；青色：压缩）。彩色地图表示平均应力。 (F) 示意图说明细胞向列体在脱附过程中假设的重塑过程。 (G) 单层脱附后立即围绕+1/2（左）和-1/2（右）拓扑向错的平均速度（N=16个视野，n+ = 119, n- = 113）。彩色地图表示+1/2向错的水平速度分量和-1/2向错的径向速度分量。 (H) 膜染色的自由漂浮成纤维细胞单层的Z投影。彩色地图表示高度h。 (I) 对应于(H)中共聚焦Z投影的平均曲率(k)图（顶视图和3D视图）。(A)至(G)比例尺：100微米。(H)和(I)比例尺：400微米。

微图案技术：给细胞“画好排队路线”

为主动控制向列序和向错位置，研究团队设计了由聚乙二醇包围的各向异性纤维粘连蛋白微图案。这些非粘附线条（约2微米宽）就像给细胞画好的“排队路线”，引导细胞初始铺展方向，在2-3天培养后形成具有预定义+1/2或-1/2向错的细胞向列体。整数电荷向错（如+1或-1）会自发分裂为半整数向错对，以降低弹性畸变能。研究聚焦于包含两个、四个或六个向错的圆形或椭圆形粘附域内的最小向列构型。与均匀涂布纤维粘连蛋白的对照相比，全区域各向异性图案化能稳定地定位向错并重现应力分布。实验测得：+1/2向错沿头尾方向产生牵引，-1/2向错沿臂向内拉、臂间向外推。应力推断显示，两个+1/2向错之间的区域张力最高，激光烧蚀实验证实了张力主要沿向列场方向分布。研究者还建立了非线性弹性壳模型，将细胞向列体视为沿向列方向施加单轴收缩张力的主动组分与抵抗面内拉伸和弯曲的被动弹性基质的复合体系。该模型成功定性与定量重现了实验观测到的牵引模式。

图2. 通过微图案设计细胞向列体中的应力场。 (A) 用于测量微图案化细胞向列体所施加牵引力的实验装置示意图。 (B) 展示两种、四种和六种拓扑向错构型（从上到下）的最小细胞向列体的相差图像。图像上叠加了局部向列指向矢（绿色线段）和±1/2拓扑向错位置。比例尺：200微米。 (C) 两种、四种和六种向错构型（从上到下）的平均牵引力（白色矢量）及其径向分量幅度。 (D) 平均应力场。黑色双箭头表示最大主应力方向，彩色地图表示平均应力幅度。在(B)和(C)中：从上到下n=29、5和3。 (E) 由双向错收缩向列体片层在超弹性基底上产生变形的模拟。彩色地图为位移场模量d。蓝色阴影区域表示收缩弹性薄壳的区域。 (F) 模拟中施加的应力场（黑色双箭头）以及产生的牵引力场（白色矢量），对应两种、四种和六种向错构型。彩色地图表示径向牵引分量。

从平面到立体：向错间距决定碗的深浅

利用上述模型，研究者模拟了含两个+1/2向错的椭圆片层在收缩张力增加后的形变过程。模拟显示，组织先沿向错连线方向发生面内收缩，随后屈曲离面，最终形成碗状形貌。在此过程中，高斯曲率从零变为正，表明面内形变无法完全释放应力，系统通过屈曲进入第三维度以降低总弹性能。实验验证了这一点：两个向错构型的组织在酶解脱附后，确实沿最大拉应力方向快速收缩，随后发生径向屈曲并折叠成碗状。此过程中未检测到细胞邻居交换，表明成纤维细胞单层在分钟时间尺度上表现为弹性体。增大组织面积不改变整体重塑动力学，但向错间距显著影响最终三维结构的曲率半径和高宽比——向错离得越远，形成的碗就越浅越宽，模拟结果与实验高度吻合。向错连线与椭圆长轴夹角的变化也会改变重塑动力学和最终形貌。相比之下，随机向错排布的组织在相同几何形状下产生明显不同的三维形态，证明形状控制的关键在于向错的有序编程而非边界几何。

图3. 双向错细胞向列体对组织形状的控制。 (A) 模拟快照显示双向错细胞向列体在脱附过程中的时间演化（俯视图和正交视图）。黑色线段描绘了向列指向矢。 (B) 不同大小的双向错细胞向列体脱附的相差延时图像，两者在脱附后都形成碗状构型。标明了自收缩开始以来经过的时间。虚线标记t=0时单层的周长。 (C) 具有不同向错间距的双向错细胞向列体的相差延时图像，以及脱附后获得的DNA染色3D组织结构的最大Z投影。虚线表示碗状形态的底部。 (D) 模拟的脱附后稳态构型，展示具有不同向错间距的双向错向列体薄弹性壳。 (E) 双向错细胞向列体获得的三维结构的最小曲率半径(R_c)作为+1/2拓扑向错间距(d)的函数。 (F) 相同三维结构的高宽比(h/w)作为向错间距(d)的函数。(E)和(F)中的蓝色符号对应模拟结果。模拟中的平均高宽比(h/w)根据每个结构的两个主截面获得。 (G) 具有相对于椭圆约束长轴呈45°和90°取向的+1/2拓扑向错对的细胞向列体重塑的相差延时图像。右图显示了具有与实验相同初始向列构型的薄弹性壳在模拟中脱附后的稳态构型（正交视图）。比例尺：100微米。

从碗状到花瓣：多向错编织复杂结构

当向错数量增加时，组织可形成更复杂的层级结构。四个向错的圆形向列体在脱附后先收缩成三角形单层，随后向上折叠形成具有三折对称性的复杂碗状形貌——边缘呈现出三个明显的谷底。六个向错的构型则先收缩成方形单层，最终形成四折对称结构，如同一个四瓣的花托。另一种头对头取向的六个向错构型产生局部压缩应力，形成两个分离的碗状内陷，类似于双腔室结构。理论模型显示这种构型是亚稳态的，暗示实验中的稳定可能存在额外因素。此外，研究者发现纤维粘连蛋白在基底侧富集，而肌动蛋白对称分布，这种上下不对称性可能引入主动弯曲力矩，为组织折叠提供了方向偏好。在无向错的单向排列组织中，由于面内收缩受限较小，脱附后仅产生轻微起伏，进一步证实了向错诱导的应力失配才是驱动复杂三维形变的核心引擎。

图4. 多次向错间相互作用编程的层级形状复杂度。 相差延时和模拟快照展示具有四种向错（A）和六种向错（B和C）构型的细胞向列体的重塑。标明了自胶原酶处理开始以来经过的时间。虚线表示t=0时单层的周长。右列展示了通过光片显微镜获得的每种构型的代表性3D渲染图。橙色箭头指向边缘的谷，突出了(A)和(B)中三维结构的对称性。比例尺：250微米。

展望：从活体材料到人造器官

该研究揭示了向列引导的张力能够驱动动态形状转变，形成特定形貌。其核心形变原理是“高斯形变”——由印刻在薄固体表面上的、受力学失配的面内应力模式驱动。这与以往基于活性向列流体或主动流动的形变机制不同，更接近于植物叶片和花朵中由不相容面内生长模式诱导的几何失配形变。本研究提供了研究向错介导的机械相互作用和形状涌现的稳健工具包，并为将细胞向列体作为机械编码、形状可编程的活体材料奠定了基础。未来，这一策略有望用于构建具有预设三维构型的人工组织、微型软体机器人，甚至为体外器官构建提供全新的力学编程思路。