用于下一代組織再生與醫(yī)學(xué)器械的4D打印策略

來源：高分子科學(xué)前沿

近期,，浙江大學(xué)梅德慶/汪延成教授團(tuán)隊與美國喬治華盛頓大學(xué)Lijie Grace Zhang教授團(tuán)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(jié)了面向下一代組織再生與醫(yī)療器械的4D打印技術(shù)及應(yīng)用的研究進(jìn)展。
4D打印技術(shù)是指在預(yù)定刺激下，3D打印的功能結(jié)構(gòu)可在形狀,、屬性和功能上進(jìn)行時間維度上的自我轉(zhuǎn)換,。4D打印已廣泛應(yīng)用于柔性電子、軟體機(jī)器人,、生物醫(yī)學(xué)支架,、藥物遞送等領(lǐng)域，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注,。本論文主要綜述了1) 4D打印工藝分類,；2) 4D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)水凝膠等,；4) 形狀變化或功能轉(zhuǎn)變的刺激響應(yīng)機(jī)理,；5) 4D打印支架/構(gòu)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(bǔ)片和瓣膜,、腦組織重建,、神經(jīng)支架和導(dǎo)管、骨支架,、肌肉再生和氣管植入器械等),。在此基礎(chǔ)上，討論了有關(guān)4D打印的監(jiān)管和商業(yè)化進(jìn)展,，總結(jié)了當(dāng)前存在的技術(shù)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(yīng)力,、磁性刺激,、光刺激、熱刺激和化學(xué)刺激五大類及其子類型

傳統(tǒng)3D打印的生物支架,，細(xì)胞是鋪設(shè)在支架上的,。由于重力作用，細(xì)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(xì)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(diǎn)是能夠在微創(chuàng)手術(shù)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(shù)中植入3D打印結(jié)構(gòu)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(yīng)促進(jìn)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(jié)構(gòu)具有可變形狀能力,，這也為打印制造下一代生物醫(yī)學(xué)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(qū)動器等,。在綜述論文中，主要討論了近期關(guān)于體外組織構(gòu)建和體內(nèi)植入的4D打印細(xì)胞支架和醫(yī)療器械的研究,，以闡述其潛在的臨床應(yīng)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(shí)驗仍有待進(jìn)一步開展,。
綜上所述，4D打印用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是一個新興的研究領(lǐng)域,，已證明其在下一代組織工程和生物醫(yī)學(xué)器械的突出潛力,。雖然該領(lǐng)域還存在若干挑戰(zhàn)，多學(xué)科的交叉與合作將會加快推進(jìn)4D生物打印技術(shù)的發(fā)展,，并最終實(shí)現(xiàn)其臨床轉(zhuǎn)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(xué)博士生王越，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汪延成教授和喬治華盛頓大學(xué)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(xué)的崔海濤助理研究員,、博士生Timothy Esworthy，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院梅德慶教授,。該研究獲得國家自然科學(xué)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(xué)基金會和美國心臟協(xié)會的支持,；作者王越感謝浙江大學(xué)爭創(chuàng)優(yōu)秀博士學(xué)位論文給予的資助。
作者簡介：
王越,，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(xué)基金委資助在喬治·華盛頓大學(xué)作為聯(lián)合培養(yǎng)博士生學(xué)習(xí)。主要研究包括3D打印和4D打印及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用,。

汪延成,，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院、流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室教授,，教育部青年長江學(xué)者,，獲美國制造工程師學(xué)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(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室副主任,，機(jī)械工程國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心副主任,。主要從事機(jī)器人智能感知與微制造領(lǐng)域的研究工作，出版學(xué)術(shù)專著及教材2部,。
Lijie Grace Zhang,，教授、博導(dǎo),，喬治華盛頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副院長,，納米醫(yī)學(xué)和組織工程生物工程實(shí)驗室主任。主要研究方向為3D/4D打印,、復(fù)雜組織工程,、干細(xì)胞工程、生物機(jī)器人和癌癥轉(zhuǎn)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,。