编者：中喷网 墨宸
2026年8月5日，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了清华大学机械工程系欧阳礼亮课题组的一项突破性研究成果。研究团队提出了一种名为“亚体素定向纤维3D打印”（SHIFT）的全新制造方法，通过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，解决了生物制造领域长期存在的微观各向异性结构构建难题。令人意想不到的是，这项尖端技术的灵感竟来源于中国传统美食——兰州拉面的制作工艺。
图1. SHIFT亚体素定向纤维原位成形打印策略
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。如何在仿细胞外基质的水凝胶中精准重建这种微观定向结构，一直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。传统的挤出式3D打印受限于喷嘴物理尺寸，挤出的水凝胶丝构造单元——“体素”——直径通常在百微米以上，难以制造匹配细胞尺度（十微米级）的各向异性特征。面对这一瓶颈，清华团队另辟蹊径，从拉面师傅反复拉伸面团的技艺中获得启发，开发出一种“边打印、边拉扯”的精密制造策略。
图2. SHIFT方法的两类技术模式：SHIFT 3D打印模式构造分级亚体素定向纤维结构，SHIFT纺丝模式高通量便捷制备和收集水凝胶细纤维
SHIFT方法的核心在于一种独特的“离散-连续”双相墨水体系设计。该墨水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。其中，明胶颗粒遇热变软、遇冷变硬，而泊洛沙姆则遇热变硬、遇冷变软。在挤出打印过程中，通过精确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，如同拉面师傅手中的面团被反复拉扯一般，由球形液滴转变为直径仅为5至30微米的长纤维。连续相基质的快速自恢复特性则将形变后的纤维结构及时固定，维持其定向形貌。研究团队发现，SHIFT过程对通道几何形状依赖性低，方法稳健性高，且在32至37摄氏度的宽温度范围内均可实现可靠转变。
基于这一核心原理，SHIFT方法发展出两类技术模式。其一为SHIFT 3D打印模式，可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，实现“等材制造”，代表了全新的制造范式。结合模块化的墨水设计，该技术能够制造可编程式的亚体素定向结构，包括异质定向纤维束、载颗粒定向结构、球丝共存的定向结构等。其二为SHIFT纺丝模式，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，兼容多种水凝胶材料，弥补了10微米级水凝胶微丝制备方法的空白。
图3. SHIFT应用于肌肉组织、类毛细血管结构以及类器官构建
SHIFT技术的生物医学应用前景令人振奋。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毫米）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。在动物实验中，将工程化骨骼肌束植入小鼠体积性肌肉缺损模型后，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，还可作为牺牲模板构建互连的类毛细血管网管。
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。论文共同第一作者为周德志、窦博瀚、范世缘、黄鸿森等，欧阳礼亮为通讯作者。这一成果建立了“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功能之间关系的理解提供了新的手段和证据。从一碗兰州拉面到一篇《Nature》论文，清华团队用东方智慧攻克了全球生物制造领域的核心难题，为再生医学和组织工程开辟了全新的道路。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10883-z
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