重建天然组织中高度有序的细胞/基质结构，是推动人工组织从形态仿生走向功能仿生的重要基础。西安交通大学李涤尘、贺健康、毛茅教授团队提出一种应变诱导水凝胶纳米纤维快速定向策略：在Fibrin（纤维蛋白）由溶液向凝胶转变的短暂窗口内施加单轴变形，驱动纤维旋转、孔隙拉伸及网络连接路径重组，并利用后续凝胶化将这种取向稳定下来。在本研究条件下，纤维和细胞定向随拉伸增加并在约1.6倍伸长附近趋于饱和。结合支架几何与边界条件设计，该方法进一步实现了厘米尺度单向和多层旋转定向心肌组织构建，并显著改善心肌细胞结构组织、方向性收缩、电响应及钙瞬变等。
2026年7月12日，相关研究以Strain-Driven Topological Reorganization in Soft Fibrin Nanofibrous Networks Enabling Tissue-Like Alignment为题发表在Advanced Materials上。
研究背景与核心思路
天然组织并非细胞的简单集合，其生理功能建立在细胞与细胞外基质精密有序的空间组织之上。天然心肌中，心肌细胞和基质纤维沿特定方向有序排列，以保障电信号快速传播和组织同步收缩。现有微沟槽、预制取向纤维、磁场和流动剪切等方法虽然能够引导细胞排列，但通常依赖固定模板、外源颗粒或持续外场，难以兼顾三维结构调控与天然水凝胶微环境的保持。针对上述问题，本研究将关注点转向力学调控的Fibrin网络定向重排。研究团队利用静电打印制备菱形PCL微纤维支架，将含细胞的Fibrin前体填充其中，并在凝胶形成过程中对支架施加拉伸，使纤维、孔隙和细胞沿应变方向重新排列，再通过后续交联将取向结构稳定下来。
研究发现
1.拉伸应变诱导半成胶水凝胶纳米网络快速定向排列
在Fibrin水凝胶网络形成过程中施加约60%的拉伸，原本无序的纤维会迅速沿主应变方向排列。拉伸时机非常关键：过早时网络连接不足，难以传递载荷；约90 s的中间凝胶化状态下，网络既能传递应力，又允许纤维移动和重组，取向可在完全凝胶化及卸载后保留下来；凝胶化约10 min后再拉伸，则会因弹性回复而失去大部分取向。由此可见，稳定定向来自“拉伸重组”与“继续凝胶化”的共同作用。
图1 应变诱导半成胶Fibrin纳米纤维网络快速定向及其稳定机制
2. 约1.6倍伸长时，水凝胶纤维和细胞定向趋于饱和
随着拉伸增加，Fibrin纤维、孔隙长轴和包埋细胞逐渐转向拉伸方向，并在约60%应变，即约1.6倍伸长附近趋于饱和。孔隙长宽比同步增大，表明拉伸不仅改变凝胶外形，还推动了纤维旋转、孔隙拉长和网络连接路径重组。简化几何模型显示，多边形孔隙逐步拉直时，其特征伸长比接近π/2（约1.57），与实验结果相吻合。不过，1.6倍伸长只是当前Fibrin体系的实用参考，并不一定适用于所有纤维网络的普适阈值。
图2 静电打印支架应变调控水凝胶/细胞协同定向
3.支架结构设计实现大面积与多层定向
普通菱形阵列在拉伸时应变分布并不均匀。团队通过优化支架端部形状和固定方式，使内部形成方向近似平行、幅值较均匀的主应变场，从而获得大面积一致的Fibrin和心肌细胞定向。进一步将三层支架以相邻层60°的角度叠放并分别加载，可形成层间逐步旋转的细胞与纤维取向，模拟天然心肌跨壁方向变化的结构特征。
图3 支架几何与边界条件优化实现大尺度单向及多层旋转定向
4. 定向排列增强心肌结构和收缩功能
定向Fibrin基质可引导心肌细胞形成连贯排列，并促进肌节组织和细胞间连接。与非定向对照相比，定向心肌组织表现出更快、更集中的收缩运动，收缩方向与细胞排列方向高度一致。上述结果说明，凝胶形成阶段建立的基质各向异性能够进一步传递至细胞结构和组织功能层面。
图4 定向排列促进心肌细胞结构组织与方向性收缩
5. 压电微纤维进一步改善电生理功能
该研究团队还利用多材料静电打印，将PCL菱形支架与约2 μm直径的PVDF压电微纤维网络交织集成。该复合支架在保持结构柔顺性的同时，可随心肌收缩产生局部电信号。与非压电对照相比，压电复合支架上的心肌组织具有更好的电刺激响应和钙信号传导能力，表明结构定向与压电刺激可以协同促进心肌组织功能。
图5 多材料静电打印压电菱形支架增强定向心肌电生理功能
总体而言，本研究建立了一种面向天然纤维水凝胶的应变诱导定向方法。该方法利用Fibrin凝胶形成过程中的可重构状态，使纤维网络、孔隙和细胞在应变作用下协同重排，并通过后续凝胶化实现结构稳定。结合支架几何设计和压电材料集成，研究进一步实现了从局部纤维定向到大尺度、多层组织构建及功能增强，为心肌及其他方向性组织的制造提供了新的技术思路。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74105
期刊页面：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74105
