巧用“液晶態”，登上Science！

利用“活材料”內嵌的液晶態力場，成功“編程”細胞組織，像折紙一樣精確折疊成三維結構

從胚胎發育到器官形成，扁平細胞片如何自主折疊成復雜三維結構，是生物學領域長期探索的核心問題之一。這一過程在生物體內由精密的分子信號與機械力協同調控，但如何在體外系統中重現并精準控制這一過程，一直是組織工程、合成生物學和軟體機器人領域的重大挑戰。盡管科學家已在自下而上的組織構建方面取得進展，但實現對組織形狀轉變的精確編程仍然困難重重。關鍵障礙在于，如何在可控且可預測的方式下，引導細胞組織內部產生大規模、有序的力場分布。

西班牙巴塞羅那科學研究院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：通過調控細胞單層中“向列相液晶態”的有序排列和拓撲缺陷，來預編程組織內部的應力場，從而引導組織在脫離基底后自發折疊成預設的三維形狀。研究團隊將成纖維細胞培養在軟質基底上，利用各向異性的微圖案技術引導細胞定向排列，構建出具有特定向錯構型的“細胞向列彈性體”。實驗結合理論模型表明，這種由細胞主動收縮力驅動的、受向列相序調控的應力模式，會在組織從基底上剝離后，通過高斯形變機制驅動組織發生可控的離面屈曲，最終形成碗狀、多瓣狀等復雜三維形態。相關論文以“Guidance of cellular nematic elastomers into shape-programmable living surfaces”為題，發表在Science上。

向錯：細胞組織中的“力學指揮家”

為了探究無約束細胞向列體中的力與形態發生潛能，研究團隊首先培養NIH-3T3成纖維細胞單層。結果顯示，這些細胞單層展現出長程向列相有序性，并在局部出現±1/2拓撲向錯——這就像液晶顯示器中分子排列發生扭曲的“缺陷點”。通過牽引力顯微鏡和單層應力顯微鏡分析發現，高牽引力區域集中在向錯核心附近，而整體應力場呈現各向異性：+1/2向錯在其尾部產生強拉伸區，頭部前方為壓縮區；-1/2向錯則呈現三重對稱的應力模式。這些應力模式在數百個向錯上的平均分析中得到了驗證，且隨時間保持穩定。當研究者用膠原酶將組織從基底上快速剝離后，組織首先沿應力場方向發生面內收縮，隨后在幾分鐘內產生離面褶皺，形成自由漂浮的起伏結構。激光燒蝕實驗表明，這些結構內部仍保留殘余張力，處于彈性受限的三維構型中。

圖1. 無約束細胞向列體的力學與3D重塑。 (A) 成纖維細胞單層的相差圖像，疊加了相應的取向場（綠色線段）。紅色和藍色符號標記±1/2拓撲向錯的位置。 (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。插圖為細胞取向與牽引力矢量之間角度的分布。 (C) 根據(B)中的牽引力場推斷出的應力場。黑色雙箭頭表示正應力（拉伸），青色雙箭頭表示負應力（壓縮）。彩色地圖表示平均應力。本文中我們考慮二維應力（厚度積分），單位為表面張力。插圖顯示細胞取向與最大拉伸方向之間角度的分布。極坐標直方圖根據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）拓撲向錯的平均細胞取向和牽引力場。黑色線段表示平均細胞取向。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小時內平均（n+ = 354, n- = 357）。 (E) 根據(D)中的平均牽引力場推斷出的+1/2（左）和-1/2（右）拓撲向錯的平均應力場（黑色：拉伸；青色：壓縮）。彩色地圖表示平均應力。 (F) 示意圖說明細胞向列體在脫附過程中假設的重塑過程。 (G) 單層脫附后立即圍繞+1/2（左）和-1/2（右）拓撲向錯的平均速度（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胞單層的Z投影。彩色地圖表示高度h。 (I) 對應于(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：給細胞“畫好排隊路線”

為主動控制向列序和向錯位置，研究團隊設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）就像給細胞畫好的“排隊路線”，引導細胞初始鋪展方向，在2-3天培養后形成具有預定義+1/2或-1/2向錯的細胞向列體。整數電荷向錯（如+1或-1）會自發分裂為半整數向錯對，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的最小向列構型。與均勻涂布纖維粘連蛋白的對照相比，全區域各向異性圖案化能穩定地定位向錯并重現應力分布。實驗測得：+1/2向錯沿頭尾方向產生牽引，-1/2向錯沿臂向內拉、臂間向外推。應力推斷顯示，兩個+1/2向錯之間的區域張力最高，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拉伸和彎曲的被動彈性基質的復合體系。該模型成功定性與定量重現了實驗觀測到的牽引模式。

圖2. 通過微圖案設計細胞向列體中的應力場。 (A) 用于測量微圖案化細胞向列體所施加牽引力的實驗裝置示意圖。 (B) 展示兩種、四種和六種拓撲向錯構型（從上到下）的最小細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拓撲向錯位置。比例尺：200微米。 (C) 兩種、四種和六種向錯構型（從上到下）的平均牽引力（白色矢量）及其徑向分量幅度。 (D) 平均應力場。黑色雙箭頭表示最大主應力方向，彩色地圖表示平均應力幅度。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生變形的模擬。彩色地圖為位移場模量d。藍色陰影區域表示收縮彈性薄殼的區域。 (F) 模擬中施加的應力場（黑色雙箭頭）以及產生的牽引力場（白色矢量），對應兩種、四種和六種向錯構型。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生面內收縮，隨后屈曲離面，最終形成碗狀形貌。在此過程中，高斯曲率從零變為正，表明面內形變無法完全釋放應力，系統通過屈曲進入第三維度以降低總彈性能。實驗驗證了這一點：兩個向錯構型的組織在酶解脫附后，確實沿最大拉應力方向快速收縮，隨后發生徑向屈曲并折疊成碗狀。此過程中未檢測到細胞鄰居交換，表明成纖維細胞單層在分鐘時間尺度上表現為彈性體。增大組織面積不改變整體重塑動力學，但向錯間距顯著影響最終三維結構的曲率半徑和高寬比——向錯離得越遠，形成的碗就越淺越寬，模擬結果與實驗高度吻合。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生明顯不同的三維形態，證明形狀控制的關鍵在于向錯的有序編程而非邊界幾何。

圖3. 雙向錯細胞向列體對組織形狀的控制。 (A) 模擬快照顯示雙向錯細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型。標明了自收縮開始以來經過的時間。虛線標記t=0時單層的周長。 (C) 具有不同向錯間距的雙向錯細胞向列體的相差延時圖像，以及脫附后獲得的DNA染色3D組織結構的最大Z投影。虛線表示碗狀形態的底部。 (D) 模擬的脫附后穩態構型，展示具有不同向錯間距的雙向錯向列體薄彈性殼。 (E) 雙向錯細胞向列體獲得的三維結構的最小曲率半徑(R_c)作為+1/2拓撲向錯間距(d)的函數。 (F) 相同三維結構的高寬比(h/w)作為向錯間距(d)的函數。(E)和(F)中的藍色符號對應模擬結果。模擬中的平均高寬比(h/w)根據每個結構的兩個主截面獲得。 (G) 具有相對于橢圓約束長軸呈45°和90°取向的+1/2拓撲向錯對的細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型的薄彈性殼在模擬中脫附后的穩態構型（正交視圖）。比例尺：100微米。

從碗狀到花瓣：多向錯編織復雜結構

當向錯數量增加時，組織可形成更復雜的層級結構。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雜碗狀形貌——邊緣呈現出三個明顯的谷底。六個向錯的構型則先收縮成方形單層，最終形成四折對稱結構，如同一個四瓣的花托。另一種頭對頭取向的六個向錯構型產生局部壓縮應力，形成兩個分離的碗狀內陷，類似于雙腔室結構。理論模型顯示這種構型是亞穩態的，暗示實驗中的穩定可能存在額外因素。此外，研究者發現纖維粘連蛋白在基底側富集，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，由于面內收縮受限較小，脫附后僅產生輕微起伏，進一步證實了向錯誘導的應力失配才是驅動復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）構型的細胞向列體的重塑。標明了自膠原酶處理開始以來經過的時間。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)中三維結構的對稱性。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的張力能夠驅動動態形狀轉變，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、受力學失配的面內應力模式驅動。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生長模式誘導的幾何失配形變。本研究提供了研究向錯介導的機械相互作用和形狀涌現的穩健工具包，并為將細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。未來，這一策略有望用于構建具有預設三維構型的人工組織、微型軟體機器人，甚至為體外器官構建提供全新的力學編程思路。