用于下一代組織再生與醫(yī)學器械的4D打印策略

來源：高分子科學前沿

近期，浙江大學梅德慶/汪延成教授團隊與美國喬治華盛頓大學Lijie Grace Zhang教授團隊合作，在國際期刊Advanced Materials (IF=30.849)上在線發(fā)表題為“Emerging 4D printing strategies for next-generation tissue regeneration and medical devices”的長篇綜述論文，分析并總結了面向下一代組織再生與醫(yī)療器械的4D打印技術及應用的研究進展。
4D打印技術是指在預定刺激下，3D打印的功能結構可在形狀、屬性和功能上進行時間維度上的自我轉換。4D打印已廣泛應用于柔性電子、軟體機器人、生物醫(yī)學支架、藥物遞送等領域，受到學術界和工業(yè)界的極大關注。本論文主要綜述了1) 4D打印工藝分類；2) 4D打印的結構設計；3) 4D打印聚合物材料，如形狀記憶聚合物(SMPs)、液晶聚合物(LCP)、刺激響應水凝膠等；4) 形狀變化或功能轉變的刺激響應機理；5) 4D打印支架/構造和裝置等方面的最新研究(如血管組織再生和支架、心臟補片和瓣膜、腦組織重建、神經(jīng)支架和導管、骨支架、肌肉再生和氣管植入器械等)。在此基礎上，討論了有關4D打印的監(jiān)管和商業(yè)化進展，總結了當前存在的技術挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

圖1：4D打印工藝的刺激源可分為內(nèi)部刺激和外部刺激，以及內(nèi)應力、磁性刺激、光刺激、熱刺激和化學刺激五大類及其子類型

傳統(tǒng)3D打印的生物支架，細胞是鋪設在支架上的。由于重力作用，細胞通常會在支架的不規(guī)則表面呈現(xiàn)非均勻分布。4D生物打印能通過對支架的刺激改變其形狀，這為解決支架表面細胞不均勻沉降問題提供了一種新方法。4D打印醫(yī)療器械的另一優(yōu)點是能夠在微創(chuàng)手術中減少原位創(chuàng)傷，顯著提高患者舒適度。考慮到損傷組織的形狀不規(guī)則，在手術中植入3D打印結構使其完美貼合損傷組織仍是一大挑戰(zhàn)，采用4D打印支架通過變形效應促進支架與缺損組織的無縫融合，能有效解決這一難題。此外，由于4D打印結構具有可變形狀能力，這也為打印制造下一代生物醫(yī)學器械提供了可能，包括自緊縫線、血管支架、神經(jīng)支架、藥物遞送載體、生物傳感器和生物驅動器等。在綜述論文中，主要討論了近期關于體外組織構建和體內(nèi)植入的4D打印細胞支架和醫(yī)療器械的研究，以闡述其潛在的臨床應用。但我們也不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段4D打印醫(yī)療器械仍處于研發(fā)階段，并未開展臨床試驗，更多的體外和體內(nèi)實驗仍有待進一步開展。
綜上所述，4D打印用于生物醫(yī)學應用是一個新興的研究領域，已證明其在下一代組織工程和生物醫(yī)學器械的突出潛力。雖然該領域還存在若干挑戰(zhàn)，多學科的交叉與合作將會加快推進4D生物打印技術的發(fā)展，并最終實現(xiàn)其臨床轉化。

圖2：4D打印組織再生示意圖

該論文的第一作者為浙江大學博士生王越，浙江大學機械工程學院汪延成教授和喬治華盛頓大學Lijie Grace Zhang教授為共同通訊作者，其他合著者包括喬治華盛頓大學的崔海濤助理研究員、博士生Timothy Esworthy，浙江大學機械工程學院梅德慶教授。該研究獲得國家自然科學基金、浙江省杰出青年基金項目的資助；感謝美國國家自然科學基金會和美國心臟協(xié)會的支持；作者王越感謝浙江大學爭創(chuàng)優(yōu)秀博士學位論文給予的資助。
作者簡介：
王越，浙江大學機械工程學院2017屆本科生，同年保送本校直攻博士。師從梅德慶教授、汪延成教授。在2019-2020年受國家留學基金委資助在喬治·華盛頓大學作為聯(lián)合培養(yǎng)博士生學習。主要研究包括3D打印和4D打印及其在生物醫(yī)學工程中的應用。

汪延成，浙江大學機械工程學院、流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室教授，教育部青年長江學者，獲美國制造工程師學會杰出青年制造工程師獎、浙江省杰出青年基金。現(xiàn)任浙江省先進制造技術重點實驗室副主任，機械工程國家級實驗教學示范中心副主任。主要從事機器人智能感知與微制造領域的研究工作，出版學術專著及教材2部。
Lijie Grace Zhang，教授、博導，喬治華盛頓大學工程與應用科學學院副院長，納米醫(yī)學和組織工程生物工程實驗室主任。主要研究方向為3D/4D打印、復雜組織工程、干細胞工程、生物機器人和癌癥轉移模型。國際期刊Biomedical Engineering Advances主編，Journal of Nanobiotechnology、Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications、International Journal of Nanomedicine副主編。