清华大学熊卓/张婷/方永聪团队Cell Biomat：生物编织术，再造仿生螺旋人工心 | Cell Press论文速递

CellPress细胞科学

2026-01-16 11:23发布于河南CellPress细胞科学官方账号

问AI · 仿生螺旋结构为何能提升心脏修复效果？

物质科学

Physical science

近日，清华大学机械工程系熊卓教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Biomaterials上发表了题为“Scalable fabrication of aligned myocardial tissues with native-like helical architecture for heart repair”的研究论文。

研究开发了一种湿法纺丝定向组装技术（FLASH），成功构建高细胞密度定向心肌组织与多层螺旋心室模型，实现心肌细胞定向排列度超过90%，并宏观上同步协调收缩。将所构建的定向心肌补片用于心梗修复，在大鼠心梗模型中显著改善心功能并显著降低心梗纤维化面积。

研究亮点

本研究开发了一种湿法纺丝定向组装技术（FLASH），将高细胞密度微纤维快速组装为螺旋定向心肌组织，并可编程调控纤维取向角度。
FLASH实现心肌细胞定向排列度超过90%，机械各向异性可调，且制造分辨率/时间效率较传统挤出式生物打印提升约3倍。
由定向纤维组装的螺旋心室模型在体外表现协调收缩，同时定向工程化心肌补片在大鼠心梗模型中改善心功能并使纤维化面积下降。

研究简介

人体心脏具有高度各向异性的层级结构：心肌细胞沿主轴有序排列并组装成心肌纤维，从而支持快速电传导与协同发力；在心室壁内，这些纤维逐层排布，螺旋角度沿壁厚连续变化。研究认为，这种螺旋构型与心室的扭转变形及高效射血密切相关。因此，在体外重建心肌细胞的定向排列与螺旋纤维架构，是推动工程化心肌功能成熟、增强收缩力并提升组织模型泵血表现的关键。

目前，电纺、光刻等技术可为细胞定向提供物理线索，但难以实现多细胞种类的三维整合与复杂结构构建。旋转喷射沉积技术可获得心室样几何并部分复制螺旋取向，但三维载细胞效率受限，仅形成薄壁构建体。3D生物打印虽能构建腔室与灌注网络，但挤出过程的剪切却限制纤维微型化，且各向同性水凝胶缺乏定向线索。微流控湿法纺丝可制备<100 μm的高细胞密度微纤维，但组装多依赖手工，难兼顾复杂性与精度。因此，需要一种将微纤维成形与多尺度组装一体化的生物制造技术，以克服在构建复杂各向异性组织和功能性心室模型方面存在的局限性。

为应对上述挑战，本研究开发了湿法纺丝定向组装技术（Flow Led Assembly for Spiral Hierarchical Structures, FLASH），将微流控湿法纺丝与可编程纤维收集整合，实现跨尺度的仿生心肌组织构建。FLASH采用同轴喷嘴，将负载心肌细胞的胶原/Matrigel核墨水包裹于海藻酸盐/纤维蛋白原壳墨水之中，并挤入旋转的CaCl₂浴中，借助快速离子交联形成力学稳定的核–壳微纤维。通过协同调控内外相流量与芯轴转速，FLASH可对纤维核–壳直径及螺旋缠绕角度进行精确控制，并使空间分辨率/制造时间比相较传统挤出式生物打印提升3倍以上。由此，该平台在兼顾结构可控与制造效率的同时，将微纤维成形与螺旋组装贯通为单一、连续的制造流程，从而快速制备高细胞密度的螺旋定向心肌组织（如图1所示）。

图1. 湿法纺丝定向组装技术（FLASH）

首先，基于FLASH技术，本研究以新生大鼠原代心肌细胞构建了功能化心肌微纤维，在长期培养中保持超过90%的细胞活性，并实现超过90%的细胞定向（细胞核长轴与纤维轴向夹角≤20°）。免疫染色显示，心肌细胞沿轴向形成有序肌节结构，并建立了CX43缝隙连接，证明了心肌纤维功能重建良好（如图2所示）。

图2. 功能化心肌纤维的制造与表征

在此基础上，本研究将内皮细胞封装于微纤维壳层，利用壳墨水中纤维蛋白原的凝血反应实现纤维间连接与整体成形，并通过选择性降解海藻酸盐软化微环境，从而构建预血管化的定向心肌组织。经培养与电刺激训练后，心肌细胞高度定向，内皮细胞形成预血管化网络，且至第21天组织收缩达到全局同步（如图3、4所示）。

图3. 定向心肌组织的制造与表征

图4. 预血管化定向心肌组织的制造与表征

进一步地，本研究利用FLASH平台组装出具有左旋–环向–右旋层级结构的仿生螺旋心室模型，并通过调控纤维螺旋角度实现心室模型力学各向异性可调；培养21天后，该模型可产生自发收缩，并对电刺激呈现同步响应（如图5所示）。

图5. 多层螺旋心室泵的制造与表征

最后，本研究将定向心肌补片用于大鼠心肌梗死模型，治疗组在术后第28天表现出射血分数（Δ=48.22%）与缩短分数（Δ=70.4%）的改善，同时纤维化面积降低，并促进梗死区域新生血管形成，提示其有望减轻心肌梗死后的不良重塑（如图6所示）。

图6. 定向心肌补片的心梗修复

综上，FLASH将仿生结构构建与可规模化制造相结合，为构建适用于疾病建模、药物测试与再生治疗的器官尺度心脏模型提供了一条通用路径。

作者介绍

方永聪

助理教授

方永聪，清华大学机械工程系助理教授（特别研究员，博士生导师），入选北京市科学技术协会2023年度青年人才托举计划，获2024年国际生物制造学会青年科学家奖、机械工业科学技术奖发明奖二等奖等荣誉。专注于心脏组织器官仿生制造和再生修复，获得国家自然科学基金青年基金、北京市自然科学基金面上项目、科技部重点研发项目子课题等资助，以第一/通讯作者在Adv Mater，Matter，Trends in Biotechnology，Mater Today等权威期刊上发表论文24篇（4篇ESI热点/高被引论文），被引1550余次（H因子21），成果被麻省理工科技评论、央视新闻等国内外媒体报道。

鲁冰川

博士

鲁冰川，博士。主要研究方向：生物制造、心肌再生。

孙若斌

2025级博士研究生

孙若斌，现于清华大学机械工程系攻读博士学位。主要研究方向：生物制造、心肌再生。

张婷

副教授

张婷，清华大学机械工程系长聘副教授，博士生导师。获国家级青年人才计划支持，现任中国机械工程学会生物制造工程分会总干事，中国生物材料学会生物材料先进制造分会秘书长。长期从事生物3D打印技术装备研发、心肌组织工程与血管化、体外微环境及生物反应器、器官芯片等生物制造相关交叉领域的研究。近年来，主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、中韩国际交流基金等项目，在Biofabrication，Biomaterials，Advance Materials等期刊及国际会议上发表论文70余篇，在SCOPUS中被引用2780次，申请或授权发明专利二十余项。

熊卓

教授

熊卓，清华大学机械工程系长聘教授，博士生导师。现任北京机械工程学会副理事长，北京市组织器官生物智造与修复再生重点实验室主任。国际上最早开展细胞3D打印的研究者之一，率先提出了基于单元受控堆积成形的细胞3D打印技术并获得首个发明专利，发明了多种细胞3D打印工艺与低温沉积制造工艺，2023年基于微卫星平台开创了复杂肿瘤模型的太空生物3D打印的先河。近年来主持国家科技重大专项和国家自然科学基金联合基金重点项目等项目，在Nature Communications，Advanced Materials，Materials Today，Biomaterials等期刊发表百余篇论文，被引4400余次，H因子40。获得发明专授权30余项，多项专利成果已转化，并获机械工业科学技术奖发明奖、北京市科学技术奖等奖励。