生物组织具有卓越的自组织和形状变化能力，这些变化由其自身细胞产生的力所驱动。生物工程领域的一大挑战是如何利用这种自然行为来设计能够呈现预定形状的合成活材料。然而，精确控制组织行为并引导其内部力以呈现所需形状，仍然是一个重大的科学难题。

一项由加泰罗尼亚生物工程研究所（IBEC）、加泰罗尼亚理工大学（UPC）和国际工程数值方法中心（CIMNE）领导，并与巴塞罗那欧洲分子生物学实验室（EMBL）合作的新研究，提出了一种通过化学图案控制细胞在组织内的取向来“编程”这些形状变化的策略。该研究发表在《Science》期刊上。

其结果是可以获得以受控方式变形、产生可重复三维结构的活组织。这对ICREA研究教授、IBEC综合细胞与组织动力学组组长、该研究的共同通讯作者Xavier Trepat来说尤其重要：“我们证明，只需控制细胞如何取向，就能设计出活组织将要呈现的形状，”Trepat强调说。他也是巴塞罗那大学（UB）的教授和生物医学研究网络生物工程、生物材料与纳米医学中心（CIBER-BBN）的成员。

科学家们将该研究结果作为设计能够自主改变形状的活体表面的一种手段，其潜在应用范围从组织工程到生物混合机器人。

排列并塑造组织的细胞

由细长细胞组成的生物组织倾向于自组织成多细胞域，所有细胞都沿同一方向排列，很像纺织品的纤维。这被称为向列序。然而，有时向列序会在特定点（称为拓扑缺陷）处被破坏。这些是局部无序的区域，类似于指纹中的旋涡或分叉。在生物学中，这些缺陷充当力汇聚的点，可以影响组织的生长、迁移或变形。

“细胞的取向控制着力，而力可以控制三维形状的产生，”IBEC综合细胞与组织动力学组的研究员、该研究的第一作者Pau Guillamat解释说。

为了引导这些力，研究团队使用化学微图案在平坦表面上“绘制”线条。他们通过使用一种细胞能粘附的蛋白，然后用一种细胞不粘附的聚合物包围这些线条的区域来实现。由于这些图案，细胞沿着线条排列，创建出所需的取向“图谱”。这使得拓扑缺陷可以被强加在特定位置——自然情况下这些缺陷是自发产生的，但却是无序的。

“关键在于我们可以决定这些缺陷的位置，从而决定组织内力将在哪里产生，”Guillamat说。

关键的实验发生在研究人员将组织从细胞生长的基底上剥离下来时。当组织仍然附着时，细胞产生的内力被锚定在支撑物上，阻止组织改变形状。然而，通过移除这种机械约束，累积的应力能够自由重新分布。

“这就像一张被拉紧并固定在边缘的弹性片。当它被固定时，它不会变形。然而，当松开时，它会呈现出由内部应力决定的新几何形状，”Guillamat解释说。细胞组织也是如此：当剥离时，它会沿着由细胞取向和拓扑缺陷产生的应力的方向迅速收缩和变形。

模拟预测最终形状

为了更深入地理解组织力和形状的起源并对其进行预测，由Marino Arroyo（UPC土木与环境工程系正教授、CIMNE软与活材料界面研究组首席研究员、该研究的共同通讯作者）领导的团队开发了理论模型和模拟。这些模型和模拟使团队能够预测特定的细胞取向图案最终将如何转变为特定的三维形状。

根据Arroyo的说法，“我们的模型使我们能够检验不同的假设，并最终确定细胞取向导致组织三维折叠的机制。此外，它们提供了向列图案与形状之间的定量关系，”从而证实该系统可以用作组织形态设计的预测平台。

广泛的应用前景

这项概念验证研究为许多应用打开了大门，例如无需人工支架即可创建三维结构的组织工程、使用可变形活组织作为生物致动器的生物混合机器人，以及智能活材料的设计，能够重新配置其形状并可能改变其功能特性的活体表面。

“这些系统可以被视为能够产生可编程力和形状的活材料，它们还可以整合信息并智能地做出响应，”Guillamat补充道。

除了潜在的应用之外，这种方法还可以研究器官形成和肿瘤行为等生物现象。“它是理解细胞取向模式如何影响复杂组织的力学和进化的完美工具，”Trepat说。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Pau Guillamat et al, Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz9174.