用于下一代组织再生与医学器械的4D打印策略

来源：高分子科学前沿

近期，浙江大学梅德庆/汪延成教授团队与美国乔治华盛顿大学Lijie Grace Zhang教授团队合作，在国际期刊Advanced Materials (IF=30.849)上在线发表题为“Emerging 4D printing strategies for next-generation tissue regeneration and medical devices”的长篇综述论文，分析并总结了面向下一代组织再生与医疗器械的4D打印技术及应用的研究进展。
4D打印技术是指在预定刺激下，3D打印的功能结构可在形状、属性和功能上进行时间维度上的自我转换。4D打印已广泛应用于柔性电子、软体机器人、生物医学支架、药物递送等领域，受到学术界和工业界的极大关注。本论文主要综述了1) 4D打印工艺分类；2) 4D打印的结构设计；3) 4D打印聚合物材料，如形状记忆聚合物(SMPs)、液晶聚合物(LCP)、刺激响应水凝胶等；4) 形状变化或功能转变的刺激响应机理；5) 4D打印支架/构造和装置等方面的最新研究(如血管组织再生和支架、心脏补片和瓣膜、脑组织重建、神经支架和导管、骨支架、肌肉再生和气管植入器械等)。在此基础上，讨论了有关4D打印的监管和商业化进展，总结了当前存在的技术挑战和发展趋势。

图1：4D打印工艺的刺激源可分为内部刺激和外部刺激，以及内应力、磁性刺激、光刺激、热刺激和化学刺激五大类及其子类型

传统3D打印的生物支架，细胞是铺设在支架上的。由于重力作用，细胞通常会在支架的不规则表面呈现非均匀分布。4D生物打印能通过对支架的刺激改变其形状，这为解决支架表面细胞不均匀沉降问题提供了一种新方法。4D打印医疗器械的另一优点是能够在微创手术中减少原位创伤，显著提高患者舒适度。考虑到损伤组织的形状不规则，在手术中植入3D打印结构使其完美贴合损伤组织仍是一大挑战，采用4D打印支架通过变形效应促进支架与缺损组织的无缝融合，能有效解决这一难题。此外，由于4D打印结构具有可变形状能力，这也为打印制造下一代生物医学器械提供了可能，包括自紧缝线、血管支架、神经支架、药物递送载体、生物传感器和生物驱动器等。在综述论文中，主要讨论了近期关于体外组织构建和体内植入的4D打印细胞支架和医疗器械的研究，以阐述其潜在的临床应用。但我们也不难发现现阶段4D打印医疗器械仍处于研发阶段，并未开展临床试验，更多的体外和体内实验仍有待进一步开展。
综上所述，4D打印用于生物医学应用是一个新兴的研究领域，已证明其在下一代组织工程和生物医学器械的突出潜力。虽然该领域还存在若干挑战，多学科的交叉与合作将会加快推进4D生物打印技术的发展，并最终实现其临床转化。

图2：4D打印组织再生示意图

该论文的第一作者为浙江大学博士生王越，浙江大学机械工程学院汪延成教授和乔治华盛顿大学Lijie Grace Zhang教授为共同通讯作者，其他合著者包括乔治华盛顿大学的崔海涛助理研究员、博士生Timothy Esworthy，浙江大学机械工程学院梅德庆教授。该研究获得国家自然科学基金、浙江省杰出青年基金项目的资助；感谢美国国家自然科学基金会和美国心脏协会的支持；作者王越感谢浙江大学争创优秀博士学位论文给予的资助。
作者简介：
王越，浙江大学机械工程学院2017届本科生，同年保送本校直攻博士。师从梅德庆教授、汪延成教授。在2019-2020年受国家留学基金委资助在乔治·华盛顿大学作为联合培养博士生学习。主要研究包括3D打印和4D打印及其在生物医学工程中的应用。

汪延成，浙江大学机械工程学院、流体动力与机电系统国家重点实验室教授，教育部青年长江学者，获美国制造工程师学会杰出青年制造工程师奖、浙江省杰出青年基金。现任浙江省先进制造技术重点实验室副主任，机械工程国家级实验教学示范中心副主任。主要从事机器人智能感知与微制造领域的研究工作，出版学术专著及教材2部。
Lijie Grace Zhang，教授、博导，乔治华盛顿大学工程与应用科学学院副院长，纳米医学和组织工程生物工程实验室主任。主要研究方向为3D/4D打印、复杂组织工程、干细胞工程、生物机器人和癌症转移模型。国际期刊Biomedical Engineering Advances主编，Journal of Nanobiotechnology、Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications、International Journal of Nanomedicine副主编。