水凝胶微丝，登上《Nature》！

让水凝胶“长出”定向微纤维！水凝胶3D打印实现微观各向异性按需构建

结构各向异性在自然界中普遍存在，决定了材料的定向特性与功能。从天然肌肉的定向收缩到神经束的平行排列，这种有序结构是高性能生物组织的关键特征。受此启发，研究人员长期致力于在合成材料中重现这种各向异性。水凝胶作为一种含水量极高的软材料，在生物医学领域应用广泛，但如何在其内部构建精确、可控的微观各向异性结构一直是一大难题。尽管3D打印，特别是挤出式生物打印，已成为加工软材料的强大工具，但现有方法在引入亚体素级精细各向异性特征时，往往受限于物理喷嘴尺寸或难以实现均匀、可控的取向。如何在保持打印流畅性和形状保真度的同时，在材料内部"编织"出高度有序的微观纤维网络，是该领域亟待突破的核心挑战。

针对上述挑战，清华大学欧阳礼亮副教授团队报道了一种名为"剪切-拉伸原位颗粒-纤维转变"（SHIFT）的全新现象，并展示了基于此原理的3D打印技术。SHIFT的核心在于一种特殊的双相墨水体系：其中分散着热可逆的水凝胶颗粒，周围包裹着具有相反相变特性的连续基质。在受控挤出过程中，两种组分经历相反的相转变——升温时，明胶颗粒从凝胶态熔化为溶胶态（软化易拉伸），而泊洛沙姆连续相从溶胶态转变为凝胶态（固化提供支撑和剪切力传递）——使得原本离散的颗粒原位转化为高度有序的亚体素微纤维（直径5-30微米）。该方法建立了从液滴创建各向异性的新途径，可便捷地集成到3D打印和微纤维纺丝场景中，所构建的显著结构各向异性不仅能在体外形成超长肌管，还能有效加速体积性肌肉损失后的再生进程。相关论文以“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”为题，发表在Nature上。

图1 | SHIFT原理概述。a，基于溶胶-凝胶双相墨水体系的传统打印方法与SHIFT打印方法的示意图，其中分散相和连续相表现出相反的温敏性。在SHIFT中，两相的相状态发生转变，使得离散颗粒在挤出过程中转变为取向的细纤维。b，c，代表性图像显示SHIFT打印的丝条内含有高度取向的亚体素微纤维束。

挤出过程中的相变与形变

研究团队选用明胶颗粒（具有可逆溶胶-凝胶转变）作为分散相，并选择相变行为相反的泊洛沙姆407作为连续相。实验表明，只有当同时满足"通道收缩"和"相变发生"两个条件时，颗粒才会原位转变为纤维；缺少任一条件，颗粒均保持原状。为探究其物理机制，研究人员模拟了流场并估算了毛细数，发现在收缩通道中，流速和应变率显著提升，产生强大的粘性应力，从而驱动液滴发生形变。有趣的是，无论是阶梯式、双曲线式还是线性锥形通道，只要进出口尺寸相同，均能成功实现颗粒-纤维转变，且所得纤维直径和分布相似（图2b），这表明SHIFT过程对通道几何形状依赖性低，方法稳健性高。

进一步表征温度窗口发现，随着温度升高，颗粒形态从球体（≤29°C）逐步演变为纺锤形（30°C）、混沌态（31°C），直至在≥32°C时稳定形成纤维（图2c）。临界温度随两相浓度略有变化，但大多数配方在32-37°C的宽温度范围内均可实现可靠SHIFT，此时连续相具备优异的自支撑性能，适用于大尺度结构制造。即使在70°C下纤维结构仍能保持，但均匀性有所下降。总体而言，SHIFT依赖于分散相同时发生的相转变与形态转变，这一机制未来或可被光、声等其他外部刺激所触发。

亚体素各向异性特征的调控

关于SHIFT各向异性的质量，亚体素微纤维沿丝轴完全对齐、无断裂，即使长度超过100毫米，单根微纤维的长径比仍超过10,000。这种在水相体系中实现极端液滴变形（长径比提升两到三个数量级）同时保持界面稳定的现象，在流体物理学中尚属首次报道。截面表征证实了微纤维在打印丝条及3D结构内的均匀分布。

微纤维的密度可通过调节初始颗粒浓度简便调控。荧光分析显示，纤维密度与初始颗粒体积分数呈明确的正相关关系（图2d），后续实验选用1:8的分散相与连续相比，获得约12.7±1.9%的纤维体积分数。喷嘴直径的影响评估显示，从14G到32G的锥形喷嘴中，除32G因应变过大导致纤维断裂外，其余均能产出连续取向的纤维，且纤维取向和尺寸高度一致（图2e）。喷嘴直径与纤维直径呈强线性相关（R²=0.987），实现了在不影响取向质量前提下的可靠纤维尺寸控制。挤出速度在0.1至10 mL/min范围内变化时，纤维始终保持良好取向且尺寸恒定（图2f），这种对挤出速度不敏感的特性支持高速稳定制造。此外，初始颗粒尺寸（约70-570 μm）与最终纤维尺寸（约6-20 μm）呈正相关。

为拓展材料适用范围，研究团队将SHIFT与互穿网络策略结合。通过在连续相中引入海藻酸钠、甲基丙烯酰化透明质酸或聚乙二醇二丙烯酸酯，或在明胶基分散相中加入海藻酸盐或甲基丙烯酰化丝素蛋白，所有配方均兼容SHIFT，在去除泊洛沙姆后仍能保持一致的取向和尺寸。力学测试表明，SHIFT丝条的弹性模量比体相和非SHIFT对照高出2-3倍，这是由于GelMA微纤维与连续相通过光聚合形成牢固界面，有效耗散应力并偏转裂纹。在导电性方面，将PEDOT:PSS固定质量掺入不同相中后，含导电微纤维的SHIFT丝条电阻率最低，LED输出最亮，得益于SHIFT微纤维内各向异性导电通路的集中效应。

图2 | SHIFT打印中同步相变与形变的关键。a，代表性荧光显微图像显示双相墨水在不同通道形状和温度配置下的流动行为。b，使用不同几何形状通道的SHIFT过程代表性图像。数值0.2、0.4和2表示线性锥形通道的tan β值，其中β对应斜角。c，不同温度下打印的晶格结构代表性显微图像。d，丝条横截面内荧光面积分数的定量反映对应于初始颗粒体积比的纤维密度。n = 4根丝条。双尾Mann-Whitney U检验。e，左图，使用不同口径喷嘴所得亚体素纤维的代表性显微图像。中图，纤维取向（上）和直径（下）的定量分析。n = 来自四次独立实验的80次测量。Welch方差分析后接双尾Games-Howell多重比较检验。右图，纤维直径与喷嘴直径的线性回归分析。f，左图，不同挤出速度（0.1 mL/min至10 mL/min）下使用不同喷嘴所得SHIFT打印丝条的代表性显微图像。右图，纤维取向（上）和直径（下）的定量分析。双相墨水由10 wt%明胶颗粒（绿色荧光标记）和30 wt%泊洛沙姆连续相以1:8的体积比配制。n = 来自四次独立实验的80次测量。Welch方差分析后接双尾Games-Howell多重比较检验。P > 0.05视为无显著性差异。确切P值请参见源数据。数据以均值±标准差表示（d和f右图）。比例尺：a为2 mm；b为200 μm；c为500 μm；e为100 μm；f为50 μm。

模块化墨水编程亚体素特征

单喷嘴SHIFT打印结合模块化墨水，无需复杂硬件即可实现多材料图案化。研究团队将明胶和GelMA两种颗粒混合，共聚焦显微镜证实两种颗粒在SHIFT模式下均完全转化为平行排列的微纤维（图3a）。进一步将10 μm微珠（大小与哺乳动物细胞相近）载入连续相或预封装于分散颗粒中，前者均匀分布且不干扰纤维取向，后者则沿微纤维定向排列（图3b、c）。即便将预交联的GelMA颗粒与可SHIFT的明胶颗粒混合，明胶颗粒仍能绕过障碍物转变为纤维并沿挤出方向重新排列（图3d）。这些模块化墨水策略凸显了SHIFT在多材料各向异性结构构建中的强大鲁棒性。此外，通过去除牺牲性明胶纤维，还可创建沿丝条的通道状各向异性孔隙。与基于光或定向冷冻的方法不同，基于喷嘴的SHIFT可实现按需、自由形态的纤维操控。

图3 | 使用SHIFT 3D打印模块化墨水工程化多样亚体素特征。四种墨水配方在传统模式（上）和SHIFT模式（下）下打印的3D结构代表性共聚焦图像。a，两种热可逆颗粒（明胶为绿色，GelMA为红色）嵌入墨水中。b，热可逆颗粒（明胶为绿色）与封装于其中的微珠（洋红色）嵌入墨水中。c，热可逆颗粒（明胶为绿色）嵌入含有自由微珠（洋红色）的连续相中。d，热可逆颗粒（明胶为绿色）与预交联GelMA颗粒（红色）混合嵌入墨水中。

SHIFT纺丝制备微纤维

传统湿法纺丝难以生产细直径的水凝胶微纤维且材料选择受限，静电纺丝则主要产出亚微米级纤维且需高压设备。SHIFT以简便、稳健的方式填补了这一空白，可在数秒内通过添加冷PBS溶解去除连续相，分离出约10 μm的微纤维。无论颗粒通过微流控、复合凝聚乳化还是机械破碎法制备，球形或多边形颗粒均可SHIFT为均匀微纤维（图4a），证实了方法的普适性。不同喷嘴和挤出速度下微纤维均保持良好的分散性和均匀性（图4b）。利用互穿网络策略，团队成功制备了GelMA、HAMA、海藻酸盐和PEGDA微纤维（图4c），明胶网络去除后的轻微溶胀不影响结构完整性。载细胞颗粒在SHIFT过程中仍能正常形成微纤维，封装细胞在培养4天后沿纤维生长伸长。收集的微纤维还可配制成颗粒墨水用于直接墨水书写，生成连续完整的丝条（图4d）。

在组织工程应用中，研究团队利用SHIFT衍生的牺牲性明胶微纤维（毛细血管尺寸）预载内皮细胞，形成互联网络，溶解后转化为可灌注的微通道。内皮细胞在共培养数小时内快速贴附于微纤维，并在通道内良好生长，在5 wt% GelMA基质中形成类毛细血管结构（图4e），而该基质通常不支持血管形态发生。

对于类器官培养，研究人员开发了微纤维嵌入式球体-类器官系统。iPSCs与微纤维共聚集形成纤维嵌入式球体，细胞外液成像显示荧光分子定位于细胞外液和嵌入的微纤维区域，证实了内部运输通路的存在。微纤维的存在使球体体积更大、核心凋亡显著减少（图4f）。诱导形成的脑类器官更大、形态更复杂，且前脑标志物FOXG1、神经外胚层标志物SOX2和N-钙黏素的表达增强、组织穿透更深。这些发现突显了SHIFT衍生微纤维在生物学应用中的广阔前景。

图4 | SHIFT纺丝制备微纤维及其应用。a，左图，水凝胶颗粒制备技术示意图。中图，水凝胶颗粒及对应SHIFT后微纤维的代表性图像。右图，颗粒及所得微纤维的尺寸定量。n = 来自四次实验的80次测量。双尾Mann-Whitney U检验。b，左图，高通量SHIFT纺丝制备微纤维。右图，不同喷嘴口径和挤出速度下的直径定量。n = 80（上）和70（下）次测量，来自四次实验。Welch方差分析后接双尾Games-Howell多重比较检验。P > 0.05视为无显著性差异。确切P值请参见源数据。c，左图，由牺牲性明胶（红色）和交联GelMA（绿色）组成的微纤维在加热孵育前后及荧光强度对比的代表性图像。右图，明胶溶解前后纤维直径的定量。n = 来自三次实验的90次测量。双尾Mann-Whitney U检验。d，挤压致密化微纤维示意图（左）及挤出过程照片（中）。右图，由致密化纤维（5 wt% GelMA）在37°C孵育24小时后挤出的丝条代表性图像。e，第3天在基质（5 wt% GelMA，10%微纤维比例）内形成的类毛细血管结构代表性图像。f，左图，第4天微纤维嵌入式iPSC球体的代表性横截面荧光图像。黄色箭头标记整合素β1和F-肌动蛋白高表达区域。中图，第7天TUNEL染色的代表性切片图像（上）及TUNEL阳性面积分数的定量（下）。n表示球体数量。双尾Welch t检验。右图，第20天脑类器官诱导的代表性图像，显示形态及FoxG1和Sox2的表达。数据以均值±标准差表示（a右图、b右图、c右图、f中图）。比例尺：a为500 μm；c左图为100 μm；d右图为200 μm；f左上为200 μm；f右图为100 μm；d中图为5 mm；e为50 μm；f中图为100 μm；f左下为10 μm。

细胞排列与肌管形成

将活细胞引入离散水凝胶颗粒后，SHIFT后细胞活力与对照组相当，随时间逐渐伸长，一周内增殖率超过10倍，与二维培养相近。细胞沿微纤维平行于打印方向铺展。使用纤维蛋白基分散相时，约75.6%的细胞在第一天排列在10°角范围内，到第四天增至约96.7%。分化7天后，仅在SHIFT生物打印组中出现多核细胞，且细胞核伸长率更高（约2.3），取向沿打印路径。厘米级载细胞6字形结构展示了连续的细胞排列。转录组测序显示，SHIFT组与二维培养相比存在大量差异表达基因，增殖相关基因下调，能量代谢和分化相关基因上调，且肌细胞增强因子和成熟肌肉标志物表达增加，表明SHIFT诱导的各向异性微环境促进了细胞向更成熟状态转变。

当细胞被引入连续相并替换为更生物相容的GelMA-纤维蛋白基质后，含SHIFT纤维的GelMA-纤维蛋白组在7天内表现出更高的细胞活力和增殖率。细胞沿嵌入的微纤维定向铺展。分化后，SHIFT组实现了接近100%的融合指数（图5a），肌细胞生成素阳性和肌球蛋白重链阳性细胞比例最高。尤为瞩目的是，嵌入的微纤维诱导形成了长达约3毫米的极长肌管（图5b），而二维和体相条件主要产生短小的分支肌管。SHIFT组肌管平均长度约1.1毫米，远超文献报道的100-600微米范围。基于SHIFT纤维支架的工程化肌肉组织在60天培养期内表现出强劲的自发收缩（图5c），平均收缩速度和幅度分别达到约20 μm/s和267 μm，无需外源刺激即达到比文献报道高近一个数量级的收缩幅度，且在适当频率电刺激下显示同步收缩响应。

各向异性组织再生

在胫骨前肌体积性肌肉损失模型中，植入载细胞SHIFT+结构组的肌肉组织再生随时间显著改善，纤维化程度明显降低（图5d），肌肉重量最高且接近假手术组水平。SHIFT+组具有最多且直径最大的中心成核纤维（新生肌纤维标志），部分达到假手术组范围。超声成像显示SHIFT+组未修复区域更小、高回声区更少（图5e）。功能评估中，SHIFT+组后肢抓力更强、跑步距离更长（提示耐力增强），步长恢复至64±6 mm，显著优于其他组并接近假手术组水平（67±5 mm）（图5f）。

在周围神经再生应用中，将SHIFT纤维嵌入式GelMA植入商用聚乳酸导管修复神经缺损。8周后，SHIFT组和自体移植组的腓肠肌组织学评估显示相似的肌肉和胶原面积分数，表明更好的神经再支配和减少的纤维化。免疫染色显示再生轴突和髓鞘，进一步证实了SHIFT在各向异性组织再生中的广泛适用性。

图5 | SHIFT各向异性增强肌管形成与骨骼肌再生。a，不同组别中肌管形态的代表性荧光图像（左和右）。b，Myo阳性细胞（左上）和MHC阳性细胞（右上）的百分比。基于MHC荧光图像的肌管长度（左下）和取向（右下）定量。零度表示平行于结构轴向的方向。n表示来自三次实验的测量次数。Welch方差分析后接双尾Dunnett T3多重比较检验（左上和右上）及Games-Howell多重比较检验（左下）。c，左图，第60天收缩视频的代表性热图。第30天和第60天收缩速度（右上）和幅度（右下）的定量。n表示结构数量。双尾Mann-Whitney U检验。d，上，第8周VML部位的代表性Masson三色染色图像。左下，TA肌肉重量的定量。右下，基于H&E染色图像的CNF直径定量。n = 5只小鼠。Welch方差分析后接双尾Dunnett T3多重比较检验。e，第8周TA肌肉的代表性超声图像；高回声区由黄色箭头标出。f，左，抓力测试中的后肢抓力。中，跑步机疲劳测试中的跑步距离。右，步长定量。n = 5只小鼠（左和中）及来自五只小鼠的15次测量（右）。Welch方差分析后接双尾Dunnett T3多重比较检验。虚线和阴影范围表示假手术组的均值±标准差（d左下为n = 4只小鼠，f左为n = 3只小鼠，d右下和f中/右为n = 5只小鼠）。数据以箱线图表示（b左上和右、c右上和右下），箱边表示第25和75百分位数，中心线为中位数，须线表示最小和最大值。数据以均值±标准差表示（b左下和右、d左下和右、f）。比例尺：a左为200 μm；d为200 μm；c为100 μm；a右为1 mm；e为2 mm。

总结与展望

SHIFT技术的建立标志着软材料各向异性加工领域的重要突破。通过利用溶胶-凝胶双相体系的拉伸流变，该方法实现了从水凝胶液滴到高度有序微纤维的原位转变，为创建仿生各向异性结构提供了一种普适、稳健且可扩展的制造策略。其兼容多种水凝胶材料、支持多材料模块化编程、可实现高通量微纤维纺丝的特点，赋予了该技术在组织工程、类器官培养、柔性电子和软体机器人等领域的广阔应用前景。研究团队展示的超长肌管形成、功能性收缩组织构建以及肌肉与神经再生效果的显著提升，为未来复杂功能性组织的体外构建和再生医学治疗提供了全新的材料与制造平台。随着对SHIFT物理机制的深入理解及其与更多刺激响应材料的结合，这一方法有望在更广泛的软材料加工领域释放更大的应用潜力。

来源：材料科学前沿