一、【导读】
结构各向异性在自然界中普遍存在，并赋予材料卓越的性能与功能。受自然启发，研究者们一直致力于合成各向异性结构，以应用于机械增强、导电性提升和组织工程等多个领域。尽管取得了诸多进展，但利用水凝胶等软材料制造精确的各向异性架构仍是一项挑战。三维（3D）打印作为一种自下而上的强大制造技术，已被广泛用于加工各类软材料。在构筑各向异性特征方面，直写成型（即基于挤出的3D打印）因其能够使用细长丝材作为构筑单元，成为最具通用性的策略之一。由于挤出时墨水的流动性与其挤出后的形状保真度之间存在权衡，通常需要借助辅助支撑浴来维持丝材形态。采用同轴、预设或混沌流喷嘴，可以在丝材构筑单元内引入更精细的各向异性特征，但亚体素特征的数量和尺寸尺度仍受到物理喷嘴孔径的限制。在其他策略中，剪切诱导取向已被用于定向排列分子、液-液相分离混合物及非球形颗粒。例如，预载于墨水中的短纤维可在流动剪切作用下取向，从而产生各向异性的亚体素特征。这些嵌入的纤维能够引导细胞铺展、增强力学性能，并利用局部各向异性溶胀行为实现可编程的四维（4D）打印。然而，可被取向的纤维通常较短，且预载纤维的取向均匀性和可控性往往较差，难以获得高质量且一致稳定的各向异性。
二、【成果掠影】
在此，清华大学欧阳礼亮副教授（共同通讯作者）等人报道了一种“剪切-拉伸原位颗粒-纤维转变”（SHIFT）方法，用以创建一类独特的丝材构筑单元，其具有可编程的各向异性，例如一束分立、取向一致且直径可调（如5–30 μm）的连续细纤维。受中国拉面拉伸过程的启发，作者采用热可逆水凝胶颗粒作为“面团”相，并以其周围流变性能迥异的基质来实现拉伸变形。由于两相具有相反的相转变特性，它们之间保持清晰的界面，并最终形成类似线缆的丝材，其中包含成束的亚体素微纤维，这一现象源于拉伸流中的粘性力克服了两相间的界面张力，从而使分散的液滴发生拉伸。同时，作者系统探索了SHIFT效应的物理原理，并验证了其构建分级各向异性的能力。SHIFT方法兼容多种水凝胶材料，并能够以高度便捷、高通量的方式生产具有哺乳动物细胞尺寸的水凝胶微纤维。与剪切诱导取向机制不同，本策略建立了一种从水凝胶液滴原位生成高质量各向异性的制造方法，其主导机制为拉伸流。
相关研究成果以“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”为题发表在Nature上。
三、【核心创新点】
1.本文报道一种称为“剪切-拉伸原位颗粒-纤维转变”（SHIFT）的现象，并展示基于SHIFT的高取向水凝胶微纤维打印技术；
2.SHIFT建立了一种从液滴构建各向异性的方法，该过程由溶胶-凝胶两相体系的拉伸流主导，SHIFT可便捷地适配于三维打印和微纤维纺丝等场景。
四、【数据概览】
图1 SHIFT原理概述© 2026 Springer Nature
图2 SHIFT打印中相转变与形状转变同步实现的关键© 2026 Springer Nature
图3 基于SHIFT 3D打印和模块化墨水实现多种亚体素结构的工程化构建© 2026 Springer Nature
图4 SHIFT法微纤维纺丝及其用途© 2026 Springer Nature
图5 SHIFT诱导的各向异性促进肌管生成及骨骼肌修复© 2026 Springer Nature
五、【成果启示】
总的来看，本文报道并揭示了水凝胶的SHIFT现象，并将其应用于直写成型技术，以原位创建高质量的亚体素各向异性。并且已证明，SHIFT现象由拉伸流主导，可用于调控所得微纤维的直径。SHIFT方法能够产生分布均匀、取向优异且连续的水凝胶微纤维，这是现有方法所无法实现的。该方法还受益于模块化墨水策略，可用于多组分制造，并且可以便捷地适配于已有的打印设备。值得注意的是，该方法允许以高度便捷和高通量的方式收集SHIFT纺制的水凝胶微纤维，且不受初始颗粒构型的限制。在功能上，这些SHIFT微纤维作为模板和导管，促进毛细血管样结构的形成，并支持更大、更成熟类器官的发育。在一个关键验证中，SHIFT微纤维引导形成连续、成熟的肌管，其长度可达毫米级，并具有卓越的生理功能。这一结构上的成就直接转化为强劲的再生效果，显著提高了各向异性组织再生的疗效。
文献链接：“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”（Nature，2026，10.1038/s41586-026-10883-z）
本文由材料人CYM编译供稿。
