利用“活材料”內(nèi)嵌的液晶態(tài)力場，成功“編程”細(xì)胞組織，像折紙一樣精確折疊成三維結(jié)構(gòu)

從胚胎發(fā)育到器官形成，扁平細(xì)胞片如何自主折疊成復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，是生物學(xué)領(lǐng)域長期探索的核心問題之一。這一過程在生物體內(nèi)由精密的分子信號與機械力協(xié)同調(diào)控，但如何在體外系統(tǒng)中重現(xiàn)并精準(zhǔn)控制這一過程，一直是組織工程、合成生物學(xué)和軟體機器人領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。盡管科學(xué)家已在自下而上的組織構(gòu)建方面取得進(jìn)展，但實現(xiàn)對組織形狀轉(zhuǎn)變的精確編程仍然困難重重。關(guān)鍵障礙在于，如何在可控且可預(yù)測的方式下，引導(dǎo)細(xì)胞組織內(nèi)部產(chǎn)生大規(guī)模、有序的力場分布。

西班牙巴塞羅那科學(xué)研究院Xavier Trepat教授、Marino Arroyo教授、Pau Guillamat教授及其同事提出了一種突破性的策略：通過調(diào)控細(xì)胞單層中“向列相液晶態(tài)”的有序排列和拓?fù)淙毕荩瑏眍A(yù)編程組織內(nèi)部的應(yīng)力場，從而引導(dǎo)組織在脫離基底后自發(fā)折疊成預(yù)設(shè)的三維形狀。研究團(tuán)隊將成纖維細(xì)胞培養(yǎng)在軟質(zhì)基底上，利用各向異性的微圖案技術(shù)引導(dǎo)細(xì)胞定向排列，構(gòu)建出具有特定向錯構(gòu)型的“細(xì)胞向列彈性體”。實驗結(jié)合理論模型表明，這種由細(xì)胞主動收縮力驅(qū)動的、受向列相序調(diào)控的應(yīng)力模式，會在組織從基底上剝離后，通過高斯形變機制驅(qū)動組織發(fā)生可控的離面屈曲，最終形成碗狀、多瓣狀等復(fù)雜三維形態(tài)。相關(guān)論文以“Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces”為題，發(fā)表在Science上。

向錯：細(xì)胞組織中的“力學(xué)指揮家”

為了探究無約束細(xì)胞向列體中的力與形態(tài)發(fā)生潛能，研究團(tuán)隊首先培養(yǎng)NIH-3T3成纖維細(xì)胞單層。結(jié)果顯示，這些細(xì)胞單層展現(xiàn)出長程向列相有序性，并在局部出現(xiàn)±1/2拓?fù)湎蝈e——這就像液晶顯示器中分子排列發(fā)生扭曲的“缺陷點”。通過牽引力顯微鏡和單層應(yīng)力顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，高牽引力區(qū)域集中在向錯核心附近，而整體應(yīng)力場呈現(xiàn)各向異性：+1/2向錯在其尾部產(chǎn)生強拉伸區(qū)，頭部前方為壓縮區(qū)；-1/2向錯則呈現(xiàn)三重對稱的應(yīng)力模式。這些應(yīng)力模式在數(shù)百個向錯上的平均分析中得到了驗證，且隨時間保持穩(wěn)定。當(dāng)研究者用膠原酶將組織從基底上快速剝離后，組織首先沿應(yīng)力場方向發(fā)生面內(nèi)收縮，隨后在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生離面褶皺，形成自由漂浮的起伏結(jié)構(gòu)。激光燒蝕實驗表明，這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍保留殘余張力，處于彈性受限的三維構(gòu)型中。

圖1. 無約束細(xì)胞向列體的力學(xué)與3D重塑。 (A) 成纖維細(xì)胞單層的相差圖像，疊加了相應(yīng)的取向場（綠色線段）。紅色和藍(lán)色符號標(biāo)記±1/2拓?fù)湎蝈e的位置。 (B) (A)中單層施加的牽引力場。牽引力矢量以黑色表示，彩色地圖表示其幅度。插圖為細(xì)胞取向與牽引力矢量之間角度的分布。 (C) 根據(jù)(B)中的牽引力場推斷出的應(yīng)力場。黑色雙箭頭表示正應(yīng)力（拉伸），青色雙箭頭表示負(fù)應(yīng)力（壓縮）。彩色地圖表示平均應(yīng)力。本文中我們考慮二維應(yīng)力（厚度積分），單位為表面張力。插圖顯示細(xì)胞取向與最大拉伸方向之間角度的分布。極坐標(biāo)直方圖根據(jù)15個視野計算，每個視野30個時間點，跨越10小時。 (D) +1/2（左）和-1/2（右）拓?fù)湎蝈e的平均細(xì)胞取向和牽引力場。黑色線段表示平均細(xì)胞取向。白色矢量表示牽引力。彩色地圖表示徑向牽引分量的幅度。牽引力場在1小時內(nèi)平均（n+ = 354, n- = 357）。 (E) 根據(jù)(D)中的平均牽引力場推斷出的+1/2（左）和-1/2（右）拓?fù)湎蝈e的平均應(yīng)力場（黑色：拉伸；青色：壓縮）。彩色地圖表示平均應(yīng)力。 (F) 示意圖說明細(xì)胞向列體在脫附過程中假設(shè)的重塑過程。 (G) 單層脫附后立即圍繞+1/2（左）和-1/2（右）拓?fù)湎蝈e的平均速度（N=16個視野，n+ = 119, n- = 113）。彩色地圖表示+1/2向錯的水平速度分量和-1/2向錯的徑向速度分量。 (H) 膜染色的自由漂浮成纖維細(xì)胞單層的Z投影。彩色地圖表示高度h。 (I) 對應(yīng)于(H)中共聚焦Z投影的平均曲率(k)圖（頂視圖和3D視圖）。(A)至(G)比例尺：100微米。(H)和(I)比例尺：400微米。

微圖案技術(shù)：給細(xì)胞“畫好排隊路線”

為主動控制向列序和向錯位置，研究團(tuán)隊設(shè)計了由聚乙二醇包圍的各向異性纖維粘連蛋白微圖案。這些非粘附線條（約2微米寬）就像給細(xì)胞畫好的“排隊路線”，引導(dǎo)細(xì)胞初始鋪展方向，在2-3天培養(yǎng)后形成具有預(yù)定義+1/2或-1/2向錯的細(xì)胞向列體。整數(shù)電荷向錯（如+1或-1）會自發(fā)分裂為半整數(shù)向錯對，以降低彈性畸變能。研究聚焦于包含兩個、四個或六個向錯的圓形或橢圓形粘附域內(nèi)的最小向列構(gòu)型。與均勻涂布纖維粘連蛋白的對照相比，全區(qū)域各向異性圖案化能穩(wěn)定地定位向錯并重現(xiàn)應(yīng)力分布。實驗測得：+1/2向錯沿頭尾方向產(chǎn)生牽引，-1/2向錯沿臂向內(nèi)拉、臂間向外推。應(yīng)力推斷顯示，兩個+1/2向錯之間的區(qū)域張力最高，激光燒蝕實驗證實了張力主要沿向列場方向分布。研究者還建立了非線性彈性殼模型，將細(xì)胞向列體視為沿向列方向施加單軸收縮張力的主動組分與抵抗面內(nèi)拉伸和彎曲的被動彈性基質(zhì)的復(fù)合體系。該模型成功定性與定量重現(xiàn)了實驗觀測到的牽引模式。

圖2. 通過微圖案設(shè)計細(xì)胞向列體中的應(yīng)力場。 (A) 用于測量微圖案化細(xì)胞向列體所施加牽引力的實驗裝置示意圖。 (B) 展示兩種、四種和六種拓?fù)湎蝈e構(gòu)型（從上到下）的最小細(xì)胞向列體的相差圖像。圖像上疊加了局部向列指向矢（綠色線段）和±1/2拓?fù)湎蝈e位置。比例尺：200微米。 (C) 兩種、四種和六種向錯構(gòu)型（從上到下）的平均牽引力（白色矢量）及其徑向分量幅度。 (D) 平均應(yīng)力場。黑色雙箭頭表示最大主應(yīng)力方向，彩色地圖表示平均應(yīng)力幅度。在(B)和(C)中：從上到下n=29、5和3。 (E) 由雙向錯收縮向列體片層在超彈性基底上產(chǎn)生變形的模擬。彩色地圖為位移場模量d。藍(lán)色陰影區(qū)域表示收縮彈性薄殼的區(qū)域。 (F) 模擬中施加的應(yīng)力場（黑色雙箭頭）以及產(chǎn)生的牽引力場（白色矢量），對應(yīng)兩種、四種和六種向錯構(gòu)型。彩色地圖表示徑向牽引分量。

從平面到立體：向錯間距決定碗的深淺

利用上述模型，研究者模擬了含兩個+1/2向錯的橢圓片層在收縮張力增加后的形變過程。模擬顯示，組織先沿向錯連線方向發(fā)生面內(nèi)收縮，隨后屈曲離面，最終形成碗狀形貌。在此過程中，高斯曲率從零變?yōu)檎砻髅鎯?nèi)形變無法完全釋放應(yīng)力，系統(tǒng)通過屈曲進(jìn)入第三維度以降低總彈性能。實驗驗證了這一點：兩個向錯構(gòu)型的組織在酶解脫附后，確實沿最大拉應(yīng)力方向快速收縮，隨后發(fā)生徑向屈曲并折疊成碗狀。此過程中未檢測到細(xì)胞鄰居交換，表明成纖維細(xì)胞單層在分鐘時間尺度上表現(xiàn)為彈性體。增大組織面積不改變整體重塑動力學(xué)，但向錯間距顯著影響最終三維結(jié)構(gòu)的曲率半徑和高寬比——向錯離得越遠(yuǎn)，形成的碗就越淺越寬，模擬結(jié)果與實驗高度吻合。向錯連線與橢圓長軸夾角的變化也會改變重塑動力學(xué)和最終形貌。相比之下，隨機向錯排布的組織在相同幾何形狀下產(chǎn)生明顯不同的三維形態(tài)，證明形狀控制的關(guān)鍵在于向錯的有序編程而非邊界幾何。

圖3. 雙向錯細(xì)胞向列體對組織形狀的控制。 (A) 模擬快照顯示雙向錯細(xì)胞向列體在脫附過程中的時間演化（俯視圖和正交視圖）。黑色線段描繪了向列指向矢。 (B) 不同大小的雙向錯細(xì)胞向列體脫附的相差延時圖像，兩者在脫附后都形成碗狀構(gòu)型。標(biāo)明了自收縮開始以來經(jīng)過的時間。虛線標(biāo)記t=0時單層的周長。 (C) 具有不同向錯間距的雙向錯細(xì)胞向列體的相差延時圖像，以及脫附后獲得的DNA染色3D組織結(jié)構(gòu)的最大Z投影。虛線表示碗狀形態(tài)的底部。 (D) 模擬的脫附后穩(wěn)態(tài)構(gòu)型，展示具有不同向錯間距的雙向錯向列體薄彈性殼。 (E) 雙向錯細(xì)胞向列體獲得的三維結(jié)構(gòu)的最小曲率半徑(R_c)作為+1/2拓?fù)湎蝈e間距(d)的函數(shù)。 (F) 相同三維結(jié)構(gòu)的高寬比(h/w)作為向錯間距(d)的函數(shù)。(E)和(F)中的藍(lán)色符號對應(yīng)模擬結(jié)果。模擬中的平均高寬比(h/w)根據(jù)每個結(jié)構(gòu)的兩個主截面獲得。 (G) 具有相對于橢圓約束長軸呈45°和90°取向的+1/2拓?fù)湎蝈e對的細(xì)胞向列體重塑的相差延時圖像。右圖顯示了具有與實驗相同初始向列構(gòu)型的薄彈性殼在模擬中脫附后的穩(wěn)態(tài)構(gòu)型（正交視圖）。比例尺：100微米。

從碗狀到花瓣：多向錯編織復(fù)雜結(jié)構(gòu)

當(dāng)向錯數(shù)量增加時，組織可形成更復(fù)雜的層級結(jié)構(gòu)。四個向錯的圓形向列體在脫附后先收縮成三角形單層，隨后向上折疊形成具有三折對稱性的復(fù)雜碗狀形貌——邊緣呈現(xiàn)出三個明顯的谷底。六個向錯的構(gòu)型則先收縮成方形單層，最終形成四折對稱結(jié)構(gòu)，如同一個四瓣的花托。另一種頭對頭取向的六個向錯構(gòu)型產(chǎn)生局部壓縮應(yīng)力，形成兩個分離的碗狀內(nèi)陷，類似于雙腔室結(jié)構(gòu)。理論模型顯示這種構(gòu)型是亞穩(wěn)態(tài)的，暗示實驗中的穩(wěn)定可能存在額外因素。此外，研究者發(fā)現(xiàn)纖維粘連蛋白在基底側(cè)富集，而肌動蛋白對稱分布，這種上下不對稱性可能引入主動彎曲力矩，為組織折疊提供了方向偏好。在無向錯的單向排列組織中，由于面內(nèi)收縮受限較小，脫附后僅產(chǎn)生輕微起伏，進(jìn)一步證實了向錯誘導(dǎo)的應(yīng)力失配才是驅(qū)動復(fù)雜三維形變的核心引擎。

圖4. 多次向錯間相互作用編程的層級形狀復(fù)雜度。 相差延時和模擬快照展示具有四種向錯（A）和六種向錯（B和C）構(gòu)型的細(xì)胞向列體的重塑。標(biāo)明了自膠原酶處理開始以來經(jīng)過的時間。虛線表示t=0時單層的周長。右列展示了通過光片顯微鏡獲得的每種構(gòu)型的代表性3D渲染圖。橙色箭頭指向邊緣的谷，突出了(A)和(B)中三維結(jié)構(gòu)的對稱性。比例尺：250微米。

展望：從活體材料到人造器官

該研究揭示了向列引導(dǎo)的張力能夠驅(qū)動動態(tài)形狀轉(zhuǎn)變，形成特定形貌。其核心形變原理是“高斯形變”——由印刻在薄固體表面上的、受力學(xué)失配的面內(nèi)應(yīng)力模式驅(qū)動。這與以往基于活性向列流體或主動流動的形變機制不同，更接近于植物葉片和花朵中由不相容面內(nèi)生長模式誘導(dǎo)的幾何失配形變。本研究提供了研究向錯介導(dǎo)的機械相互作用和形狀涌現(xiàn)的穩(wěn)健工具包，并為將細(xì)胞向列體作為機械編碼、形狀可編程的活體材料奠定了基礎(chǔ)。未來，這一策略有望用于構(gòu)建具有預(yù)設(shè)三維構(gòu)型的人工組織、微型軟體機器人，甚至為體外器官構(gòu)建提供全新的力學(xué)編程思路。