Nature | 欧阳礼亮课题组开发3D打印新方法—SHIFT

各向异性结构在自然界中广泛存在。骨骼肌、心肌、神经等组织的定向结构显著影响其生理功能，其构效关系如何，以及如何用仿细胞外基质的水凝胶精准重建仿生微观定向结构，是组织器官生物制造领域的重大关键科学问题与技术难题。传统挤出式3D打印受限于喷嘴尺寸，挤出的水凝胶丝构造单元（“体素”）直径一般在百微米以上，难以制造匹配细胞尺度（十微米级）的各向异性特征。

针对这一瓶颈，2026年8月5日，清华大学机械系生物制造中心欧阳礼亮课题组在Nature上发表了文章“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”，提出了一种亚体素定向纤维3D打印新方法，通过纤维原位转变策略（Shear-extensional in situ particle-to-fibre transformation,SHIFT），在常规挤出的水凝胶丝内部原位产生高度定向、连续均匀的亚体素水凝胶纤维束结构。这类细胞尺度的水凝胶纤维被证明能够有效引导骨骼肌细胞定向生长和组织成熟，在体外形成了已知最长的肌管结构并展现了体内组织修复的巨大应用潜力。该研究报道了“离散-连续”双水相延伸流中液滴超大变形现象，揭示了多相软材料在多物理场作用下的界面演变规律与连续定向结构的生成机制，建立了"定向微环境—细胞行为—组织形成"之间的跨尺度关联，为生物制造中结构构建与生物学效能之间关系的理解提供了新的手段和证据。本方法在宏观结构增材制造的同时，在构造单元内部同步进行亚体素变形制造（等材制造），代表了一种新的制造范式。

核心原理："相变-形变"的精妙协同

SHIFT方法选用一种"离散-连续"双相墨水体系的设计，以微凝胶作为离散相，以另一种水凝胶基质作为连续相，利用二者"互逆温敏"的特性，在挤出过程中调控温度实现巧妙的相态切换：升温使离散相由凝胶态转变为可流动的溶胶态液滴，同时连续相由溶胶态转变为胶束态，形成物理约束。收缩流道产生的延伸流场驱动液态离散相沿挤出方向持续拉伸，由球形液滴转变为直径5-30微米的长纤维（图1）。连续相基质的快速自恢复特性将形变后的纤维结构及时固定，维持其定向形貌。

图1. SHIFT亚体素定向纤维原位成形打印策略

SHIFT中微凝胶变形的核心在于相变和形变的协同作用，由延伸流场和温度场共同调控，当两者仅存在其一时，墨水中的微凝胶在挤出后仍保持初始的球形。这其中，延伸流场只需要保证出口横截面面积小于入口横截面面积即可，与收缩流道的具体形状无关。而温度场则需要高于特定的临界温度。低于临界温度时，微凝胶仅能变形成椭球态或混沌态，而高于临界温度后，SHIFT即可稳定形成纤维状亚体素。

技术优势：精准可控的亚体素制造

该研究建立了工艺参数与SHIFT亚体素结构特征的定量关系，实现了对微丝直径和密度的精确调控：

密度可控：通过调节离散相微凝胶占比，定制纤维密度

直径可调：通过控制喷嘴尺寸，实现5-30 μm直径纤维的线性调控

优异稳定性：在较宽的温度和挤出速度范围内均能稳定形成亚体素纤维，展现出工艺鲁棒性

所构建的亚体素纤维具有优异的连续性（理论长度可达厘米级）、高度定向性（取向角偏差集中在±5°范围内）以及分布均匀性，能够严格跟随打印路径方向排列，并在路径转向处快速响应偏转。

模式拓展：模块化亚体素3D打印与微米级水凝胶纤维制备

多材料策略可以弥补挤出式3D打印单一材料的缺陷，但往往需要多喷头或多通道。凭借模块化的墨水设计，SHIFT 3D打印技术能够制造可编程式的亚体素定向结构（图2）。例如，在墨水中混入两种不同的微凝胶，即可得到异质定向纤维束；在连续相或离散相中加入微颗粒，即可得到载颗粒定向结构。如果同时混入可变形和不可变形（预交联）的微凝胶，就可以得到独特的球-丝共存定向结构。SHIFT 3D打印技术具有对亚体素的按需自由调控能力。

图2. SHIFT 3D打印模式构造分级亚体素定向纤维结构

SHIFT的另一个技术应用模式是SHIFT纺丝：通过去除连续相以释放亚体素纤维，即可获得均匀、连续的水凝胶微丝。这种方法操作简便，无需复杂装置。传统静电纺丝方法通常制备纳米或亚微米尺度纤维，而湿法纺丝制备的纤维直径通常在百微米以上，SHIFT纺丝方法弥补了10微米级水凝胶微丝制备方法的空白。结合互补网络策略，各种与明胶互溶的水凝胶材料均适用于SHIFT纺丝，所得到的微丝还可以作为一种独特的颗粒状水凝胶墨水。

应用验证：肌肉、血管、类器官等广泛场景

SHIFT 3D打印所构建的各向异性结构显著促进了周围细胞的定向生长行为。研究团队在体外成功构建了具有超长肌管（平均长度约1.1 mm）和自发收缩特性的工程化骨骼肌束。细胞在细胞尺度纤维引导下高度定向排列、融合分化，细胞核长径比和取向一致性显著优于传统方法。RNA-seq分析进一步证实，该结构能有效促进肌源性细胞向高能量代谢、低增殖、高分化的功能成熟状态转变。将工程化骨骼肌束植入小鼠体积性肌肉缺损（VML）模型后，可有效促进肌纤维再生与组织结构重建，使受损后肢的抓力、耐力与步长等运动功能恢复至接近健康水平。

SHIFT纺丝所制备的纤维凭尺寸优势和材料泛用性，可作为牺牲模板构建互连的类毛细血管网管腔，在不支持血管自组装的基质中诱导血管内皮细胞形成类毛细血管结构，有望解决微血管网络的构建难题。另外，团队还提出了水凝胶纤维辅助的类器官培养策略，将这类高含水量的水凝胶纤维微丝引入干细胞团簇和类器官培养过程，可以作为物质输运通道有效解决细胞团和类器官内核缺乏氧气和营养物质的难题，促进细胞团和类器官的长大和成熟。

清华大学机械系2026届博士毕业生周德志和在读博士生窦博瀚为论文共同第一作者，在读博士生范世缘和黄鸿森（Hon Son Ooi）为论文共同第二作者，清华大学机械系欧阳礼亮副教授为论文通讯作者。欧阳礼亮课题组前科研助理韩凯、在读博士生张雪凝、王楚芊、郭禹志，以及清华大学基础医学院那洁副教授、清华大学机械系何强副研究员、军事医学研究院吴海涛团队、中国科学院动物研究所顾奇团队参与了该项研究。

课题组博士后招聘：

课题组现招聘2-3名博士后，研究方向包括：1）细胞操纵组装关键技术/装备；2）高分子水凝胶生物材料；3）干细胞、类器官与器官芯片干细胞与类器官，感兴趣者可将简历发送至ouy@tsinghua.edu.cn

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10883-z

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