Nature：提出“亚体素定向纤维3D打印”新方法！

结构各向异性广泛存在于自然界中，并决定着材料与生物组织随取向变化的性能和功能。

然而，在水凝胶这类富含水分、广泛应用于生物医学领域的软材料中，重建仿生各向异性结构一直颇具挑战。

为解决这一问题，来自清华大学的欧阳礼亮等研究者报道了一种被称为“剪切–拉伸诱导的原位颗粒–纤维转化”（shear-extensional in situ particle-to-fibre transformation，SHIFT）的新现象，并基于此实现了高度取向水凝胶微纤维的 SHIFT 打印，所得微纤维直径约为 5–30 μm。相关论文以题为“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”于2026年08月05日发表在Nature上。

背景介绍

结构各向异性广泛存在于自然界，并赋予天然材料和生物组织卓越的性能与功能。

受自然界启发，研究人员一直致力于构筑人工各向异性结构，以满足力学增强、导电性能提升和组织工程等多种应用需求。

尽管相关研究已取得显著进展，但利用水凝胶等软材料精确构建各向异性结构仍然面临较大挑战。

三维打印作为一种强大的自下而上制造技术，已被广泛用于加工各类软材料。

在构筑各向异性特征方面，直接墨水书写技术，也称挤出式三维打印，因能够以细长丝状结构作为基本构筑单元，成为最具通用性的策略之一。

由于墨水在挤出过程中的流动性与挤出后的形状保真度之间存在权衡关系，通常需要借助额外的支撑浴来维持打印丝材的形貌。

采用同轴喷嘴、预设结构喷嘴或混沌流喷嘴，可以在丝状构筑单元内部引入尺度更小的各向异性特征，但亚体素结构的数量和尺寸仍受到喷嘴物理孔径的限制。

作为替代方案，剪切诱导取向已被用于定向排列分子、液–液相分离混合物以及非球形颗粒。

例如，预先掺入墨水中的短纤维可在流动剪切作用下发生取向，从而形成各向异性的亚体素结构。

这些内嵌纤维能够引导细胞铺展、增强材料的力学性能，并利用局部各向异性溶胀行为实现可编程四维打印。

然而，可通过该方式取向的纤维通常较短，而且预载纤维的排列往往均匀性不足、可控性较差，因此难以获得高质量且一致稳定的各向异性结构。

主要创新

在本文中，研究者提出了一种剪切–拉伸诱导的原位颗粒–纤维转化方法，即 SHIFT，用于构建一类具有可编程各向异性的独特丝状构筑单元。

例如，该方法可制备由离散起始相转化形成的、排列整齐且连续的细纤维束，其纤维直径可在约 5–30 μm 范围内调控（图1）。

受中国拉面拉伸过程的启发，我们将热可逆水凝胶颗粒作为“面团相”，并引入具有不同流变性质的周围基质，以实现颗粒的拉伸变形（图1a）。

由于两相具有相反的相变特性，它们在加工过程中能够保持清晰的界面，并最终形成内部包含成束亚体素微纤维的缆索状丝材（图1b、c）。

这一现象源于拉伸流动产生的黏性力克服了两相之间的界面张力，从而将分散相液滴持续拉伸为细长纤维。

在本文中，研究者系统探讨了 SHIFT 效应背后的物理机制，并验证了其构建多层级各向异性结构的能力。

SHIFT 方法适用于多种水凝胶材料，能够以操作便捷且高通量的方式制备尺寸接近哺乳动物细胞的水凝胶微纤维。

与传统剪切诱导取向机制不同，该策略建立了一种由拉伸流动主导、以水凝胶液滴为起点、原位构筑高质量各向异性结构的新型制造方法。

图1 SHIFT原理概述。

图2 SHIFT打印中同步相位和形状转换的关键。

图3 工程多样化的亚体素特征与模块化墨水使用SHIFT 3D打印。

图4 超细纤维的移位纺丝及其应用。

主要结论

综上所述，研究者报道并揭示了水凝胶体系中的 SHIFT 现象，并将其应用于直接墨水书写，以原位构筑高质量的亚体素尺度各向异性结构。

研究表明，SHIFT 现象主要由拉伸流动主导，并可通过调控拉伸流动状态控制最终形成的微纤维直径。

与现有方法相比，SHIFT 能够制备分布均匀、取向高度一致且连续完整的水凝胶微纤维，而这些特征通常难以通过传统策略同时实现。

此外，该方法采用模块化墨水设计，适用于多组分材料的协同制造，并可便捷集成至现有打印设备中。

值得注意的是，无论初始颗粒的尺寸、形貌或空间分布如何，SHIFT 均可在收集端以操作简便、高通量的方式实现水凝胶微纤维纺丝，表现出良好的工艺适应性与可扩展性。

在功能层面，SHIFT 微纤维既可作为细胞生长与组织构建的结构模板，也可充当物质运输和组织延伸的通道，从而促进毛细血管样结构的形成，并支持体积更大、成熟度更高的类器官发育。

在一项关键验证中，SHIFT 微纤维能够引导细胞形成连续、成熟的肌管，其长度可达到毫米尺度，并表现出优异的生理功能。

该结构层面的突破进一步转化为显著而稳定的组织修复效果，大幅提升了各向异性组织再生的效率与质量。

参考文献

Zhou, D., Dou, B., Fan, S. et al. In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10883-z

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

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