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，其构效关系如何，以及如何用仿细胞外基质的水凝胶精准重建仿生微观定向结构，是组织器官生物制造领域的重大关键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（“体素”）直径一般在百微米以上，难以制造匹配细胞尺度（十微米级）的各向异性特征。针对这一瓶颈，2026年8月5日，清华大学机械系生物制造中心欧阳礼亮课题组在Nature上发表了文章“In situ particle-to-fibre transformation of hydrogels for 3D printing”，提出了一种亚体素定向纤维3D打印新方法，通过纤维原位转变策略（Shear-extensional in situ particle-to-fibre transformation, SHIFT），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。这类细胞尺度的水凝胶纤维被证明能够有效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并展现了体内组织修复的巨大应用潜力。该研究报道了“离散-连续”双水相延伸流中液滴超大变形现象，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—组织形成"之间的跨尺度关联，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。本方法在宏观结构增材制造的同时，在构造单元内部同步进行亚体素变形制造（等材制造），代表了一种新的制造范式。
SHIFT纺丝所制备的纤维凭尺寸优势和材料泛用性，可作为牺牲模板构建互连的类毛细血管网管腔，在不支持血管自组装的基质中诱导血管内皮细胞形成类毛细血管结构，有望解决微血管网络的构建难题。另外，团队还提出了水凝胶纤维辅助的类器官培养策略，将这类高含水量的水凝胶纤维微丝引入干细胞团簇和类器官培养过程，可以作为物质输运通道有效解决细胞团和类器官内核缺乏氧气和营养物质的难题，促进细胞团和类器官的长大和成熟。清华大学机械系2026届博士毕业生周德志和在读博士生窦博瀚为论文共同第一作者，在读博士生范世缘和黄鸿森（Hon Son Ooi）为论文共同第二作者，清华大学机械系欧阳礼亮副教授为论文通讯作者。欧阳礼亮课题组前科研助理韩凯、在读博士生张雪凝、王楚芊、郭禹志，以及清华大学基础医学院那洁副教授、清华大学机械系何强副研究员、军事医学研究院吴海涛团队、中国科学院动物研究所顾奇团队参与了该项研究。
