用于下一代組織再生與醫(yī)學(xué)器械的4D打印策略

來(lái)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(duì)與美國(guó)喬治華盛頓大學(xué)Lijie Grace Zhang教授團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際期刊Advanced Materials (IF=30.849)上在線(xiàn)發(fā)表題為“Emerging 4D printing strategies for next-generation tissue regeneration and medical devices”的長(zhǎng)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(shí)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(lèi)；2) 4D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(shì)。

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(lèi)及其子類(lèi)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(huì)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(guò)對(duì)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(wèn)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�？紤]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(guò)變形效應(yīng)促進(jìn)支架與缺損組織的無(wú)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(xiàn)、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(dòng)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(kāi)展臨床試驗(yàn)，更多的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)仍有待進(jìn)一步開(kāi)展。
綜上所述，4D打印用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是一個(gè)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(huì)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(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年基金項(xiàng)目的資助；感謝美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)心臟協(xié)會(huì)的支持；作者王越感謝浙江大學(xué)爭(zhēng)創(chuàng)優(yōu)秀博士學(xué)位論文給予的資助。
作者簡(jiǎn)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?chē)?guó)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(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者，獲美國(guó)制造工程師學(xué)會(huì)杰出青年制造工程師獎(jiǎng)、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(yàn)室副主任，機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)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(zhuān)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(zhǎng)，納米醫(yī)學(xué)和組織工程生物工程實(shí)驗(yàn)室主任。主要研究方向?yàn)?D/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(guó)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。