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

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

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-巴塞羅那理工學院等機構科學家攜手提出新策略：通過化學圖案控制細胞在組織中的排列方向，從而“編程”形狀變化。

細長細胞組成的生物組織，常會自組織成多細胞區(qū)域，即所有細胞沿同一方向排列，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“拓撲缺陷”。在生物體內，缺陷充當力的匯聚點，能影響組織的生長、遷移和變形。

為引導這些力，團隊利用化學微圖案在平面上勾勒線條。他們用附著于細胞的蛋白質實現(xiàn)圖案化，再以細胞無法附著的聚合物區(qū)域包圍線條。這樣，細胞便會沿線條排列，形成所需的朝向圖，從而將拓撲缺陷精準定位到特定位置，決定組織內部力的產(chǎn)生點。

關鍵發(fā)生在將組織從生長基質上剝離的那一刻。當組織仍附著時，細胞產(chǎn)生的內力被錨定在支撐物上，無法改變形狀。一旦解除機械約束，積累的應力便可自由釋放，重新分布。

團隊還開發(fā)了理論模型。這些模型使他們能夠預測：特定的細胞朝向模式，最終會轉化成怎樣的三維形狀。模型還幫助檢驗了多種假設，最終確定了細胞朝向導致組織三維折疊的機制。

這項概念驗證研究為眾多應用奠定了基礎，如組織工程無需人工支架即可構建三維結構；生物混合機器人利用可變形的活組織作為生物致動器，以及可重構形狀和功能的智能活體材料等。除應用價值外，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。