8月5日，清华大学机械系生物制造团队欧阳礼亮课题组的研究成果以论文形式发表于《自然》杂志，提出一种名为SHIFT的亚体素定向纤维3D打印新方法，能够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，为生物制造领域长期难以攻克的微观各向异性构建难题提供了全新方案。几乎同一时间，伦敦大学学院与诺丁汉大学联合研发出搭载3D打印头盔的便携式脑部扫描仪，生物3D打印正沿着基础研究与临床应用两条路径同步突进。
一、Nature刊文：SHIFT方法实现亚体素级微观定向构建
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。如何用仿细胞外基质的水凝胶精准重建这些仿生微观定向结构，是组织器官生物制造领域的重大科学问题与技术难题。传统挤出式3D打印受限于喷嘴尺寸，挤出的水凝胶丝构造单元直径一般在百微米以上，难以制造匹配细胞尺度、即十微米级的各向异性特征，这成为生物3D打印向临床转化的关键瓶颈之一。
清华大学机械系欧阳礼亮课题组提出的SHIFT方法，全称为剪切拉伸原位颗粒纤维转变，通过纤维原位转变策略突破了这一瓶颈。研究团队选用明胶颗粒作为离散相、泊洛沙姆407作为连续相，构建了一款离散连续双相墨水体系。两种组分具有互逆温敏特性：升温时，明胶颗粒从凝胶态熔化为可流动的溶胶态液滴；与此同时，连续相由溶胶态转变为胶束态，形成物理约束。在受控挤出过程中，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，由球形液滴转变为直径5至30微米的连续均匀长纤维，连续相基质的快速自恢复特性则及时固定形变后的纤维结构，维持其定向形貌。
论文指出，SHIFT方法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，建立了定向微环境、细胞行为与组织形成之间的跨尺度关联。结合模块化的墨水设计，SHIFT 3D打印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，为生物制造中结构构建与生物学效能之间关系的理解提供了新的手段和证据。
二、技术原理：双相墨水与互逆温相变机制
SHIFT方法的技术核心在于离散连续双相墨水体系的设计与互逆温敏相变机制。传统打印中，墨水通常作为均质流体被挤出，微观结构在成型前就已固化；而SHIFT让构造单元在挤出过程中发生原位转变，将等材制造理念引入增材制造流程。在宏观结构增材制造的同时，构造单元内部同步进行亚体素变形制造，代表了一种新的制造范式。
具体而言，这一机制建立在液滴超大变形现象之上。在收缩流道产生的延伸流场中，液态离散相液滴被拉伸为长径比极高的纤维，其变形幅度远超常规毛细数下的预测。研究团队通过精确调控温度实现相态切换的时间窗口：升温使离散相由凝胶态转变为溶胶态，同时连续相由溶胶态转变为胶束态，两者相变温度的匹配设计是纤维稳定形成的关键。一旦纤维在流场中成形，连续相基质的快速自恢复特性立即将其固定，避免纤维回弹或塌陷。
这一方法的普适性还体现在墨水体系的模块化设计上。离散相可以根据目标组织类型替换为不同的功能颗粒或药物载体，连续相也可根据打印工艺调整流变特性，从而制造异质定向纤维束、载颗粒定向结构等复杂形态。研究团队表示，该方法可便捷地集成到3D打印和微纤维纺丝场景中，为组织工程支架、药物递送载体和软体机器人等领域的微观结构设计提供了通用工具。
三、应用价值：肌管构建与肌肉组织再生
SHIFT方法的生物学价值在肌肉组织构建中得到验证。研究团队利用SHIFT打印的水凝胶纤维束引导骨骼肌细胞定向生长和组织成熟，在体外形成了已知最长的肌管结构。肌管是骨骼肌发育的关键阶段，其长度与定向排列直接影响肌肉组织的收缩功能。此前体外构建的肌管长度受限于打印精度与材料结构，而SHIFT提供的细胞尺度定向纤维为细胞提供了接近天然细胞外基质的接触引导，显著促进了肌管的延长与成熟。
更进一步的动物实验显示，SHIFT构建的组织在体内展现出巨大的修复潜力。研究团队将打印结构植入体积性肌肉损失模型后，发现其能有效加速肌肉再生进程。体积性肌肉损失是外伤、肿瘤切除等导致的严重肌肉组织缺损，常规治疗手段有限，组织工程被认为是最具前景的修复方案。SHIFT方法构建的定向纤维网络模拟了天然肌肉的微观拓扑结构，为细胞迁移、增殖与分化提供了适宜微环境，从而提升了组织修复效果。
从产业视角看，这一成果对生物3D打印设备与生物墨水行业具有方向性意义。当前市售生物 3D打印机 多以挤出式为主，打印精度停留在百微米量级；SHIFT方法通过墨水设计而非硬件升级实现亚体素级结构控制，意味着现有设备通过更换墨水体系即可获得微观各向异性构建能力，降低了技术推广门槛。随着生物墨水供应商与设备厂商的协同开发，亚体素定向构建有望成为生物3D打印的标配能力，推动组织工程支架向功能化、仿生化方向演进。
四、便携脑扫描：3D打印头盔固定量子传感器
在临床应用侧，伦敦大学学院与诺丁汉大学联合研发的可穿戴式脑部扫描仪OPM-MEG，展示了3D打印在医疗设备定制化中的独特价值。该系统的关键部件是一款定制3D打印头盔，能够将量子传感器固定在靠近头皮的位置，使患者在扫描过程中可以自然活动。传统脑磁图扫描要求患者保持头部完全静止，儿童或特殊患者群体难以配合；而OPM-MEG通过3D打印头盔实现传感器与头型的精确贴合，将扫描场景从固定设备扩展为可移动的便携系统。
3D打印头盔的核心优势在于个性化适配。每个患者通过三维头部扫描获得专属头模数据，3D打印快速生成与头型高度贴合的盔体，确保量子传感器与头皮保持恒定距离与稳定位置，从而保证信号采集质量。这一方案显著降低了扫描系统的体积与成本，使脑功能成像从大型医疗中心走向社区诊所甚至家庭场景成为可能，对癫痫定位、神经退行性疾病早期筛查等临床应用具有重要价值。
生物3D打印的另一前沿进展来自材料端。德克萨斯大学奥斯汀分校研究人员开发出一种新型3D打印材料，可模拟人体组织的分选与过滤功能，实现特定分子通过和阻隔。研究团队通过混合与离心技术，将数十亿微小水滴快速构建成类组织结构，突破了传统微型类组织制造的规模限制。该技术未来有望应用于医疗、水处理及机器人等领域，为类组织功能材料的规模化制备提供了新思路。
五、趋势观察：生物3D打印走向多尺度与临床化
将清华大学的亚体素纤维打印、伦敦大学学院的脑扫描头盔与德州大学的类组织材料放在一起观察，可以看到生物3D打印正在经历从宏观支架向微观结构、从实验室向临床的多重跃迁。宏观层面，3D打印已能稳定制造骨骼、关节等大尺度植入物并获批上市；微观层面，SHIFT等新方法正在把结构控制精度推进到细胞尺度，让支架不仅提供力学支撑，更主动引导细胞行为；系统层面，3D打印头盔等定制化医疗设备则展示了增材制造与临床需求深度结合的价值。
这些进展背后有共同的驱动力：增材制造的设计自由度与个性化能力。无论是水凝胶内部十微米级的纤维取向，还是贴合患者头型的传感器支架，传统制造工艺都难以低成本实现，而3D打印让个体化、功能化的生物制造成为现实。当然，从实验室成果到临床应用仍有漫长的验证之路，材料的生物相容性、结构的长期稳定性、工艺的批次一致性都需要严格评估。
可以预见，随着生物墨水体系不断丰富、打印精度持续提升、临床验证加速推进，生物3D打印将率先在组织修复、个性化医疗器械等细分领域实现规模化应用。亚体素定向构建等基础方法的突破，则为再生医学提供了更接近自然组织的工具，让打印组织从形似走向神似。
总结
清华大学Nature论文提出SHIFT亚体素定向纤维3D打印方法，在水凝胶内部构建细胞尺度定向纤维并形成超长肌管；伦敦大学学院以3D打印头盔打造便携式脑扫描仪，德州大学开发类组织过滤材料。生物3D打印正从微观结构控制迈向临床落地，多尺度应用前景广阔。
来源：清华大学机械学院官网、水凝胶科学、3D打印资源库、南极熊3D打印网