近期西班牙科学家一项研究首次证明：通过调控活组织内细胞的朝向，能够引导组织产生的力，从而决定其最终形态。这一发现为设计可自主改变形状的活体表面开辟了新路径，应用前景涉及组织工程、生物混合机器人等多个领域。
生物组织在细胞自身产生的力驱动下，具备强大的自组织与形变能力。生物工程领域面临的一大挑战，正是借助这一天然特性，构建出能按预设形状生长的合成活体材料。但如何精确调控组织行为、引导其内部力学以获得目标形状，依然是尚未攻克的关键科学问题。
在此次研究中，来自西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所、加泰罗尼亚理工大学-巴塞罗那理工学院等机构的科学家联合提出了一种全新策略：利用化学图案调控细胞在组织中的排列方向，从而对形状变化进行"编程"。
由细长细胞构成的生物组织，往往会自发形成所有细胞沿同一方向排列的多细胞区域，这一现象称为"向列序"。然而向列序有时会在局部出现断裂，形成所谓的"拓扑缺陷"。在生物体内，这些缺陷充当力的汇聚点，对组织的生长、迁移与变形产生显著影响。
为引导这些力，研究团队利用化学微图案在平面上绘制线条。他们通过附着于细胞表面的蛋白质实现图案化，再用细胞无法附着的聚合物区域包围线条，使细胞沿线条排列，形成所需的朝向图。这样便能将拓扑缺陷精准定位于特定位置，从而决定组织内部力的产生点。
关键环节出现在将组织从生长基质上剥离的瞬间。当组织仍处于附着状态时，细胞产生的内力被锚定在支撑物上，形状无法改变。一旦解除机械约束，积累的应力便可自由释放并重新分布。
团队还构建了理论模型，使其能够预测特定的细胞朝向模式最终会转化为怎样的三维形状。模型还协助验证了多种假设，最终揭示了细胞朝向驱动组织三维折叠的内在机制。
这项概念验证研究为众多应用奠定了基础，包括：无需人工支架即可构建三维结构的组织工程技术、以可变形活组织作为生物致动器的生物混合机器人，以及可重构形状与功能的智能活体材料等。除应用价值外，该方法也为研究器官形成、肿瘤行为等生物学现象提供了全新工具。