一、研究背景

骨骼肌、外周神经、血管等人体功能组织普遍具有高度有序的各向异性纤维结构，这种定向微观排布直接决定细胞分化、组织收缩、信号传导等核心生理功能，是仿生生物制造的核心复刻目标。水凝胶凭借高含水、细胞友好的特性，已成为组织工程的主流支架材料，但现有挤出式3D生物打印仍存在三大核心短板：

• 亚体素结构受限：传统打印的最小可控单元受喷嘴孔径限制，难以在百微米级打印丝内部生成5~30 μm、匹配细胞尺寸的均匀连续微纤维；预混短纤维的墨水存在排布杂乱、长度有限、可控性差等问题，无法构建高质量层级各向异性结构。
• 成型与精度难以兼顾：墨水流动性与形状保真度存在固有矛盾，同轴喷嘴、混沌流等改良方案仅能小幅提升微观有序度，且改造成本高、适配材料窄；静电纺丝虽可制备超细纤维，但依赖高压、无法直接三维成型，难以搭载活细胞构建组织。
• 功能拓展性不足：现有定向纤维制备手段很难同步实现多材料复合、可牺牲模板制造、高通量纺丝，严重制约体外器官模型、创伤修复支架等生物医学应用的落地。

二、研究内容

2.1 SHIFT技术原理与物理机制

该研究提出剪切-延伸原位颗粒纤维化（SHIFT）新方法，采用“离散-连续”双相墨水设计：以微凝胶为离散相，另一种水凝胶基质为连续相，利用二者互逆温敏特性，在挤出过程中通过温度调控实现相态切换。升温使离散相由凝胶态转为可流动的溶胶液滴，同时连续相由溶胶态转为胶束态形成物理约束；收缩流道产生的高应变率延伸流驱动液态离散相沿挤出方向持续拉伸，从球形液滴转变为直径5~30 μm的长纤维，再通过连续相基质的快速自恢复特性及时固定定向形貌。

团队通过流场仿真与毛细管数计算证实，收缩通道的高应变率延伸流是颗粒纤维化的核心驱动力；对比阶梯、双曲线、线性锥度等多种通道构型，证明该工艺对模具几何形状敏感度低、鲁棒性强。工艺温度窗口为27~37℃，32℃以上即可稳定生成完整纤维，操作门槛低、温域宽。

2.2 工艺参数与模块化墨水调控体系

研究系统标定了关键参数对微纤维形貌的调控规律：喷嘴内径与纤维直径呈高度线性相关（R²=0.987）；挤出速率在0.1~10 mL/min范围内，纤维取向与尺寸无显著差异，具备高速稳定打印能力。通过混合不同材质颗粒、微球、预交联凝胶，可构建模块化墨水，单喷嘴即可实现多组分亚体素纤维并行排布；溶出明胶纤维还可制备贯通的各向异性微通道。

材料兼容性方面，该策略适配海藻酸、甲基丙烯酸透明质酸、PEGDA、丝素蛋白等天然与合成水凝胶，可制备导电复合纤维；成型构件的弹性模量较普通水凝胶提升2~3倍，导电通路连续性显著优化。

2.3 SHIFT纺丝工艺与体外应用拓展

基于SHIFT技术，研究人员开发了独立微纤维纺丝流程：用冷PBS溶解连续相即可快速收集纯水凝胶微纤维，适配微流控、机械破碎、复凝聚法制备的各类初始颗粒，无论球形、多面体均可转化为尺寸均一的纤维，衍生出三大核心体外应用场景：

• 血管化模板：可牺牲明胶微纤维植入基质后溶出，形成贯通的毛细管尺度通道，内皮细胞可沿通道贴附生长，在难血管化的5 wt% GelMA基质中构建出类毛细血管网络。
• 类器官培养：微纤维嵌入iPSC球状体，构建内部传质通路，大幅降低球体中心细胞凋亡，培育的脑类器官尺寸更大、神经标记物表达更深、组织复杂度显著提升。
• 超长成熟肌管构建：载细胞SHIFT支架可引导成肌细胞沿纤维高度定向，体外生成平均长度1.1 mm、最长达3 mm的多核肌管，远超传统工艺100~600 μm的极限；培养60天仍具备自主节律收缩，收缩振幅可达267 μm。

2.4 体内再生医学动物模型验证

容积性肌肉缺损（VML）修复：构建小鼠胫骨前肌大面积损伤模型，植入载细胞SHIFT纤维复合支架8周后，缺损处纤维化程度显著降低，新生肌纤维的数量与直径接近健康对照组；小鼠抓握力、跑步机耐力、步幅长度均大幅恢复，肌肉再生效果全面优于无纤维的均质水凝胶支架。

外周神经缺损修复：在大鼠10 mm坐骨神经缺损模型中，SHIFT纤维支架可引导轴突定向长距离贯通损伤区域，神经再生效果接近自体神经移植，胶原沉积量显著少于普通水凝胶导管。

三、研究结论

四、论文基本信息