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西班牙科學(xué)家在最新一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們首次證明：通過控制活組織內(nèi)細(xì)胞的朝向，就能引導(dǎo)組織產(chǎn)生的力，進(jìn)而決定其最終形狀。這一成果為設(shè)計能自主改變形狀的活體表面提供了新途徑，應(yīng)用前景涵蓋組織工程和生物混合機(jī)器人等諸多領(lǐng)域。

生物組織在自身細(xì)胞產(chǎn)生的力的驅(qū)動下，擁有驚人的自組織和形變能力。生物工程領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是，正是利用這一自然現(xiàn)象，制造出能按預(yù)定形狀生長的合成活體材料。然而，如何精準(zhǔn)調(diào)控組織行為、引導(dǎo)其內(nèi)部力量以得到所需形狀，仍是重大科學(xué)難題。

在最新研究中，西班牙加泰羅尼亞生物工程研究所、加泰羅尼亞理工大學(xué)-巴塞羅那理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)科學(xué)家攜手提出新策略：通過化學(xué)圖案控制細(xì)胞在組織中的排列方向，從而“編程”形狀變化。

細(xì)長細(xì)胞組成的生物組織，常會自組織成多細(xì)胞區(qū)域，即所有細(xì)胞沿同一方向排列，這種現(xiàn)象被稱為“向列序”。但向列序偶爾會在某些點發(fā)生斷裂，形成“拓?fù)淙毕荨?。在生物體內(nèi)，缺陷充當(dāng)力的匯聚點，能影響組織的生長、遷移和變形。

為引導(dǎo)這些力，團(tuán)隊利用化學(xué)微圖案在平面上勾勒線條。他們用附著于細(xì)胞的蛋白質(zhì)實現(xiàn)圖案化，再以細(xì)胞無法附著的聚合物區(qū)域包圍線條。這樣，細(xì)胞便會沿線條排列，形成所需的朝向圖，從而將拓?fù)淙毕菥珳?zhǔn)定位到特定位置，決定組織內(nèi)部力的產(chǎn)生點。

關(guān)鍵發(fā)生在將組織從生長基質(zhì)上剝離的那一刻。當(dāng)組織仍附著時，細(xì)胞產(chǎn)生的內(nèi)力被錨定在支撐物上，無法改變形狀。一旦解除機(jī)械約束，積累的應(yīng)力便可自由釋放，重新分布。

團(tuán)隊還開發(fā)了理論模型。這些模型使他們能夠預(yù)測：特定的細(xì)胞朝向模式，最終會轉(zhuǎn)化成怎樣的三維形狀。模型還幫助檢驗了多種假設(shè)，最終確定了細(xì)胞朝向?qū)е陆M織三維折疊的機(jī)制。

這項概念驗證研究為眾多應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，如組織工程無需人工支架即可構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)；生物混合機(jī)器人利用可變形的活組織作為生物致動器，以及可重構(gòu)形狀和功能的智能活體材料等。除應(yīng)用價值外，該方法也為研究器官形成、腫瘤行為等生物現(xiàn)象提供了新工具。