洛桑聯邦理工大學（EPFL）的一個工程師團隊發現了一種像麵糰一樣塑造活組織的策略。

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組成的球體是如何產生具有迷人形狀和結構的組織和器官的？秘密在於胚胎組織的力學。它們表現出粘性（類流體）和彈性（類固體）行為，這取決於作用在它們上的力。在EPFL，博士生埃裡克·梅蘭德（Erik Mailand）和機械工程助理教授塞爾曼·薩卡爾（Selman Sakar）決定利用細胞團的機械響應流變學來構建具有長期複雜形態的工程組織。

從單細胞力學到多細胞組織

生物工程師長期以來一直在研究動物組織，目的是能夠為再生醫學和藥物篩選設計複製品。儘管有一些製造技術暫時重現了天然組織的形態和結構，但規定的形態並不穩定。細胞不斷地施加力，使自身和周圍的支架處於能量有利的狀態，而他們的體力活動幾乎總是擾亂秩序。“我們希望為細胞提供正確的機械訊號，使其所需的狀態與我們的組織藍圖相符，”EPFL微生物反饋系統（Microbirobotic Systems，MICROBS）實驗室負責人Sakar說。“我們反覆觀察到，由於表面應力的出現，細胞傾向於將組織摺疊成球狀。”因此，Sakar的研究小組研究了單個細胞和微加工組織的行為，以便更好地理解自組織的物理原理。

工程師們首先進行了機器人微操作實驗，以觀察細胞如何對纖維基質中的力作出反應。為此，他們開發了一種可在組織內操作的遙控細胞大小的磁性微致動器。Sakar說：“這個平臺使我們能夠發現改變細胞組織的負載條件。這些實驗對於瞭解纖維化等疾病的發病也很重要。”工程師們製作了實驗系統的一對一數字複製品，以量化微致動器產生的機械應力。Fazil Uslu說：“我們使用數字孿生對不同的機械驅動方案和設計實驗進行了虛擬測試，以揭示新的見解。”

上皮細胞片的相變

工程師們從早期的實驗中學到了很多，他們把注意力集中在控制表面應力上。上皮細胞是支援胚胎和器官結構的強健組織，是抵抗病原體的屏障。值得注意的是，透過積極重塑細胞間連線和調節區域性應力的分佈，上皮可以變得有彈性、可塑性和粘性。Mailand說：“我們利用微加工、計算力學、光片顯微鏡和一種新型的機器人微操作平臺，證明覆蓋著連續上皮片的膠原凝膠可以透過機械力自由成形。”該工藝涉及上皮層中可逆的固-液轉換，並且適用於新增和減去製造技術。

這一發現開闢了組織工程研究的新途徑，希望有朝一日，實驗室開發的組織將具有合適的形式和功能，可以植入患者體內或用於測試療法。這一發現也可能為組織血管化問題提供解決方案。隨著工程組織的尺寸越來越大，位於核心的細胞不再能夠接觸到周圍的介質，並且需要——就像我們的器官一樣——血管進行灌注。Sakar說：“我們的研究結果表明，將隧道直接切割成組織是可能的，這種組織最終會被周圍的細胞穩定下來，從而人工形成流體網路。”顯示內皮細胞表現出與上皮細胞相似的機械反應特徵是該專案的下一個目標。