水凝胶，生物医学领域的“明星材料”。

但传统水凝胶内部结构均匀，缺少肌肉、神经那样的定向排列。3D打印虽能构建宏观形状，却难以在微观尺度上“编织”出高度有序的纤维网络——要么受限于喷嘴尺寸，要么无法实现均匀取向。

清华大学欧阳礼亮副教授团队发现了一种名为SHIFT（剪切-拉伸原位颗粒-纤维转变）的全新现象。在受控挤出过程中，分散的水凝胶颗粒原地转化为直径5-30微米的定向微纤维，实现了微观各向异性的按需构建。

成果于2026年8月5日发表于《自然》。

基于SHIFT的3D打印支架，诱导形成了长达3毫米的超长肌管（文献报道通常100-600微米），无需外源刺激即产生约267微米的自主收缩幅度，比文献报道高近一个数量级；在大鼠肌肉缺损模型中，SHIFT修复组步长恢复至64毫米，接近假手术组（67毫米）。

双相反向相变，液滴“拉”成纤维

SHIFT的核心在于一种双相墨水体系：分散着热可逆明胶颗粒，周围包裹着泊洛沙姆连续相。两种组分的相变行为完全相反（图1）：

• 升温时，明胶颗粒从凝胶态熔化为溶胶态（软化易拉伸）
• 同时，泊洛沙姆从溶胶态转变为凝胶态（固化提供支撑和剪切力传递）

当这种墨水被挤出通过收缩通道时，流场产生的粘性应力将软化的明胶液滴“拉”成纤维，而固化的连续相则像“脚手架”一样固定住纤维的取向。两个条件缺一不可：只有通道收缩，没有相变，颗粒保持原状；只有相变，没有通道收缩，同样无法成纤。

Figure 1（SHIFT原理示意图）

微观调控：纤维密度、直径、取向完全可控

SHIFT系统展现出高度的可编程性：

• 纤维密度：通过调节初始颗粒浓度，纤维体积分数可灵活调控（1:8比例下约12.7±1.9%）
• 纤维直径：喷嘴直径从14G到30G，纤维直径与喷嘴直径呈强线性相关（R²=0.987），实现5-20微米的精准控制
• 工艺鲁棒性：挤出速度在0.1-10 mL/min范围内变化时，纤维始终保持良好取向且尺寸恒定，支持高速制造

模块化墨水：多材料、多功能的“乐高”系统

SHIFT兼容多种材料组合，实现功能“乐高式”组装（图3）：

• 混合颗粒：明胶和GelMA两种颗粒混合，SHIFT后均转化为平行排列的微纤维
• 微珠定向：预封装于分散颗粒中的微珠，沿微纤维定向排列；而游离于连续相中的微珠则均匀分布且不干扰纤维取向
• 障碍绕行：即使存在预交联GelMA颗粒障碍，明胶颗粒仍能转变为纤维并沿挤出方向重新排列

Figure 3（模块化墨水编程）

SHIFT纺丝与生物学应用

SHIFT同时是一种全新的微纤维制备方法：

• 普适性：无论球形还是多边形颗粒，均可SHIFT为均匀微纤维（图4a）
• 多样性：成功制备GelMA、HAMA、海藻酸盐、PEGDA等多种材料微纤维（图4c）
• 载细胞：封装细胞在SHIFT后保持活力，培养4天后沿纤维生长伸长
• 微纤维嵌入式iPSC球体体积更大、核心凋亡显著减少
• 诱导的脑类器官更大、形态更复杂，前脑标志物FOXG1表达增强
• 预载内皮细胞的牺牲性明胶微纤维溶解后，在GelMA基质中形成可灌注的微通道，5 wt% GelMA基质通常不支持血管形态发生，而SHIFT衍生的微通道实现了类毛细血管网络构建

Figure 4（SHIFT纺丝与生物学应用）

超长肌管与功能性肌肉组织

载细胞SHIFT打印支架的生物学性能令人瞩目：

• 细胞排列：约96.7%的细胞在4天内排列在10°角范围内
• 超长肌管：诱导形成了长达约3毫米的极长肌管，远超文献报道的100-600微米范围
• 自主收缩：工程化肌肉组织在60天培养期内表现出强劲的自发收缩，平均收缩速度和幅度分别达到约20 μm/s和267 μm，无需外源刺激即达到比文献报道高近一个数量级的收缩幅度

Figure 5（肌管形成与肌肉再生）

动物再生验证：肌肉与神经

在大鼠胫骨前肌体积性肌肉损失模型中：

• SHIFT+植入组肌肉重量最高，接近假手术组水平（图5d）
• 中心成核纤维（新生肌纤维标志） 数量最多、直径最大
• 功能评估：后肢抓力、跑步距离（提示耐力增强）均显著优于对照组；步长恢复至64±6 mm，接近假手术组（67±5 mm）

在周围神经再生应用中，SHIFT纤维嵌入式GelMA植入聚乳酸导管修复神经缺损。8周后，SHIFT组与自体移植组腓肠肌组织学评估显示相似的肌肉和胶原面积分数，免疫染色证实再生轴突和髓鞘形成，进一步验证了SHIFT在神经再生中的普适性。

论文信息：In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing，Nature，2026，

DOI: 10.1038/s41586-026-10975-4

总结：

双相反向相变墨水体系→挤出过程中液滴原位转化为取向微纤维→纤维密度/直径/取向完全可控→诱导3mm超长肌管与自主收缩肌肉→大鼠肌肉缺损模型步长恢复至64mm（接近正常）→同时验证神经再生能力。