4D生物打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域智能聚合物研究中的應(yīng)用

4D生物打印
Zia Ullah Arif a,1, Muhammad Yasir Khalid a,1, Ali Zolfagharian b, Mahdi Bodaghi c，
a拉合爾管理與技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系，錫亞克特校區(qū)，51041巴基斯坦
b迪肯大學(xué)工程學(xué)院，吉朗，3216，澳大利亞
c諾丁漢特倫特大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工程系，諾丁漢ng118ns，英國

01 背景研究
4D生物打印是下一代基于增材制造的制造平臺，用于構(gòu)建復(fù)雜的、自適應(yīng)的、動態(tài)的軟硬組織結(jié)構(gòu)以及生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。它是通過使用刺激響應(yīng)材料來實現(xiàn)的，特別是（shape memory polymers）形狀記憶聚合物(SMPs)和水凝膠，它們具有理想的生物力學(xué)特性。在過去的幾年中，通過考慮其生物醫(yī)學(xué)角度，4D打印的研究團(tuán)隊已經(jīng)做出了許多努力來開發(fā)新型刺激響應(yīng)聚合物材料。本文綜述了4D生物打印技術(shù)的最新概況，包括生物打印材料、生物材料的功能以及不同（tissue engineering and regenerative medicine）組織工程和再生醫(yī)學(xué)(TERM)應(yīng)用的重點方法。它包括骨、心臟、神經(jīng)、軟骨、藥物輸送系統(tǒng)和其他高價值的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。這篇綜述還指出了目前4D生物打印技術(shù)的局限性和挑戰(zhàn)，為TERM應(yīng)用的可預(yù)見的進(jìn)步提供了基礎(chǔ)，這可能有助于它們在臨床環(huán)境中的成功應(yīng)用。

縮寫：
3D，三維；4D，四維；AESO，丙烯化環(huán)氧化大豆油；AM，增材制造；Alg，海藻酸鹽；ALP，丙戊酸；AuNRs，金納米棒；BCP，生物工程心臟貼片；BMA，苯甲基丙烯酸甲酯；BM-MSCs，人類骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞；BPNSs，黑磷納米片；BSA，牛血清白蛋白；BTE，骨組織工程；CAD，計算機(jī)輔助設(shè)計；CMCS，羧甲基殼聚糖；CNTs，碳納米管；CT，計算機(jī)斷層掃描；CTE，軟骨組織工程；CS，殼聚糖；DDSs，藥物傳遞系統(tǒng)；DIW，直接墨水寫入；DLP，數(shù)字光處理；DPEPA，五羥基戊三酸五丙烯酸酯；EBP，基于彈性蛋白肽；ECM，細(xì)胞外基質(zhì)；FDM，熔融沉積建模；FEM，有限元方法；Gel，明膠；GelMA，甲基丙烯�；�明膠；GLY，甘油；GO，氧化石墨烯；GOx，葡萄糖氧化酶；HA，透明質(zhì)酸；HAP，羥基磷灰石；hECs，人類內(nèi)皮細(xì)胞；hiPSC-CMs，人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞源心肌細(xì)胞；hMSCs，人類間充質(zhì)干細(xì)胞；HPCT，羥丙基殼聚糖；IPNs，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)；IJP，噴墨打�。籐AAO，左心耳閉塞；MA，甲基化海藻酸鹽；MBG，介孔生物活性玻璃；MCC，微晶纖維素；MWCNT，多壁碳納米管；NAG，N-乙酰葡萄糖胺；NIR，近紅外輻射；NSCs，神經(jīng)干細(xì)胞；MRF，磁流變流體；MHTs，微縮空心管道；MI，心肌梗死；MNCs，磁性納米復(fù)合材料；MNPs，磁性納米粒子；MRI，磁共振成像；MSCs，間充質(zhì)干細(xì)胞；MX-HF，MXene摻雜空心纖維；NPs，納米粒子；NTE，神經(jīng)組織工程；PAA，聚丙烯酸；PAEK，聚芳醚酮；PASP，聚天冬氨酸；PBS，聚丁二酸丁二酯；PCL，聚己內(nèi)酯；PCL-T，聚己內(nèi)酯三醇；PCLDA，聚己內(nèi)酯-丙烯酸酯；PCLMA，聚己內(nèi)酯甲基丙烯酸酯；PDA，聚多巴胺；PDLLA，聚（d,l-乳酸）；PDMAEMA，聚（2-二甲氨基乙基甲基丙烯酸甲酯）；PDMS，聚二甲基硅氧烷；PEGDMA，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯；PEG，聚乙二醇；PEGDA，聚乙二醇丙烯酸酯；PGDA，聚（十二烷基甘油酸）丙烯酸酯；PGS，聚（丙二醇戊二酸）；PI，光引發(fā)劑；PHBV，聚（3-羥基丁酸-3-羥基戊酸酯）；PHDI，聚（己二酸己二酯）；PHIS，聚（組氨酸）；PNIPAM，聚（N-異丙基丙烯酰胺）；PNIPAM-AAc，聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）；PNVCL，聚（N-乙烯基己內(nèi)酰胺）；PLA，聚乳酸；PLA-TMC，聚（乳酸-co-三甲基碳酸酯）；PLGA，聚（乳酸-co-聚乙二醇酸）；PLMC，聚（D,L-乳酸-co-三甲基碳酸酯）；PPC，聚（丙烯碳酸酯）；PPF，聚（丙烯丙二酸丙酯）；PtNP，鉑納米粒子；PTMC，聚（三甲基碳酸酯）；PTT，光熱療法；PTU，聚硫脲；PU，聚氨酯；PVA，聚乙烯醇；RQ，研究問題；RS，再生絲；SA，海藻酸鈉；SLA，立體光刻；SLM，選擇性激光熔化；SCMs，形狀變化材料；SMs，智能材料；SMAs，形狀記憶合金；SMPs，形狀記憶聚合物；SMPCs，形狀記憶聚合物復(fù)合材料；SMMs，形狀記憶材料；SMMF，形狀變化微纖維；SMMRs，形狀變化微機(jī)器人；SLS，選擇性激光燒結(jié)；SWOT，優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會和威脅；TCP，三鈣磷酸鹽；TE，組織工程；TERM，組織工程和再生醫(yī)學(xué)；TGFβ-3，轉(zhuǎn)化生長因子β-3；TSME，三重形狀記憶效應(yīng)；TRL，技術(shù)成熟度水平；UV，紫外線；βCD，β-環(huán)糊精。3D生物打印技術(shù)采用生物墨功能材料生成復(fù)雜的三維細(xì)胞負(fù)載組織結(jié)構(gòu)，模擬原生組織。

02 什么是4D生物打印
3D生物打印技術(shù)采用生物墨水功能材料來生成復(fù)雜的3D細(xì)胞負(fù)載組織結(jié)構(gòu)，模擬天然組織。這種方法可以產(chǎn)生各種用于軟骨、骨和皮膚的人造軟組織[94-96]。生物打印利用三種主要技術(shù):基于擠壓、基于激光、基于噴墨的生物打印[97-99]。然而，4D生物打印的概念意味著3D生物打印結(jié)構(gòu)在外界刺激下的變形[100]。

此外，在打印后，3D打印產(chǎn)品以預(yù)定義的方式改變形狀，以實現(xiàn)所需的目標(biāo)。它可以控制和精確地復(fù)制組織[101]。此外，它還有助于部分實現(xiàn)與原生細(xì)胞的動態(tài)相互作用[102]。4D生物打印和3D生物打印技術(shù)的區(qū)別如圖1所示。
 

圖1：描述3D/4D打印和3D/4D生物打印之間的差異示意圖

4D生物打印技術(shù)與下一代刺激響應(yīng)材料的結(jié)合開發(fā)了動態(tài)3D打印生物結(jié)構(gòu)[103]。近年來，與智能聚合物4D生物打印相關(guān)的發(fā)表文章顯著增加，Osouli-Bostanabad等人最近發(fā)表的一篇綜述文章從統(tǒng)計上證明了這一點[104]。

以下小節(jié)包含用于4D生物打印的重要生物活性智能材料。
2.1. 4D生物打印技術(shù)的潛力
4D生物打印技術(shù)在不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出非凡的潛力，包括藥物輸送系統(tǒng)(dds)、TE和傷口修復(fù)[105-108]。利用生物3D打印技術(shù)難以制造中空結(jié)構(gòu)和血管[109]。這個問題可以通過4D生物打印技術(shù)來解決，4D生物打印技術(shù)可以產(chǎn)生一個平面的生物結(jié)構(gòu)，在外界刺激下折疊成血管[110-112]。同樣，通過4D生物打印，藥物在外部刺激下被遞送到特定部位，控制藥物釋放成為可能[113-115]。圖2描繪了4D生物打印技術(shù)的完整路線圖。
 

圖2：通過不同的4D生物打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐年發(fā)展

2.2. SMs或刺激響應(yīng)材料分為兩大分支
分支1：形狀變化材料（SCMs）和形狀記憶材料（SMMs）：形狀變化材料（SCMs）在受到環(huán)境變化時會改變形狀，并在移除外部刺激后恢復(fù)到初始形狀。形狀記憶材料（SMMs）通過編程步驟和形狀記憶效果開發(fā)復(fù)雜幾何形狀，進(jìn)一步分為形狀記憶合金（SMA）和形狀記憶聚合物（SMPs）。

分支2：剛度變化材料和相變材料：剛度變化材料：這些材料在外部刺激下會改變其機(jī)械剛度。相變材料：這些材料在溫度變化等外部條件下會發(fā)生相變，導(dǎo)致材料性能的顯著變化。

SCMs會隨著環(huán)境的變化而轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌男螤�，在去除外部刺激后，這些材料會恢復(fù)其初始形狀[119]。因此，這些材料的變形行為是預(yù)先確定的[120]。然而，smm采用編程步驟并使用形狀變形效果來開發(fā)復(fù)雜幾何形狀的打印部件[121]，這些材料進(jìn)一步分為形狀記憶合金(sma)和形狀記憶聚合物(SMPs)[122]。

圖3描述了用于4D生物打印的各種SMs，包括scm、sma、SMPs、形狀記憶聚合物復(fù)合材料(smpc)、水凝膠和形狀記憶彈性體[123-125]。

4D打印材料描述了五種類型的智能特征:形狀記憶、自組裝、自致動、自感知和自修復(fù)[126]。在形狀記憶中，材料轉(zhuǎn)換成預(yù)定的幾何形狀。
 

圖3所示:描述4D打印技術(shù)不同方面的示意圖，包括打印技術(shù)、刺激類型和潛在材料

03 4D生物打印的功能性研究
預(yù)編程有助于材料在3D生物打印后對外部刺激做出變形響應(yīng)[134]。圖4總結(jié)了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用對材料的要求。
 

圖4：4D生物打印的材料要求和注意事項

這些材料的變形進(jìn)一步分為單向、雙向或多方向，如圖5所示。在4D生物打印中，通過觸發(fā)外部刺激來精確控制材料的最終形狀，在外部刺激下改變其形狀的材料被稱為刺激響應(yīng)材料[135]。許多外部刺激可以被采用，包括物理(溫度、超聲、光、磁場、電場)、生物(細(xì)胞牽引力、酶和葡萄糖)和化學(xué)(pH值、濕度和生物分子)[136]。在接下來的小節(jié)中，考慮到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，對不同外部刺激敏感的材料進(jìn)行了闡述。
 

圖5：描繪4D打印中涉及的形狀變形機(jī)制的示意圖（經(jīng)參考文獻(xiàn)[137]許可改編，版權(quán)所有2022，Wiley VCH Gmbh）

3.1. 熱響應(yīng)材料
熱響應(yīng)材料通過溫度變化觸發(fā)形狀變形。這類材料包括聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(PNVCL)、聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)、聚乙二醇(PEG)、膠原蛋白、明膠(Gel)和某些形狀記憶聚合物(SMPs)。它們在4D打印中應(yīng)用廣泛，具備出色的可打印性和可加工性。SMPs常用于4D打印因其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度適宜，不會危及細(xì)胞活力。合成SMPs和生物聚合物如PNIPAM常用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)（TERM）應(yīng)用。這些材料的熱響應(yīng)行為可以用于制造智能閥門、修復(fù)創(chuàng)傷性皮膚缺損、智能窗口材料、以及其他生物醫(yī)學(xué)用途。

3.2. 磁響應(yīng)材料
磁響應(yīng)材料包括摻雜磁性或鐵磁性納米顆粒(MNPs)的聚合物，應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)(DDS)和組織工程(TE)。這些材料在磁場作用下表現(xiàn)出特定反應(yīng)，例如瓊脂/PEG基水凝膠與Fe3O4基NPs組合，用于創(chuàng)傷軟組織治療。此外，F(xiàn)e3O4/PCL/介孔生物活性玻璃(MBG)基支架等磁納米復(fù)合材料展示了良好的生物相容性和適用性，可用于TE和智能生物材料的4D打印。

3.3. 電響應(yīng)材料
電響應(yīng)材料通過電場變化引發(fā)形狀變形，常用導(dǎo)電聚合物如碳納米管(CNTs)和石墨烯。這些材料可用于開發(fā)肌肉和神經(jīng)組織工程(TE)結(jié)構(gòu)。例如，電敏聚吡啶基有機(jī)聚合物用于4D打印折紙機(jī)器人，展示了良好的打印性能和生物相容性。此外，導(dǎo)電聚合物基水凝膠在生物材料的4D打印中顯示出良好的應(yīng)用潛力。

3.4. 光響應(yīng)材料
光響應(yīng)材料在光刺激下發(fā)生形狀或結(jié)構(gòu)變化，包含發(fā)色團(tuán)的聚合物或含光敏納米材料。這些材料用于4D打印，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的彎曲、收縮或體積變換。光響應(yīng)聚合物在藥物遞送系統(tǒng)(DDS)中應(yīng)用廣泛，光敏水凝膠在組織工程中展現(xiàn)出潛力。例如，功能化PNIPAM水凝膠和螺苯吡喃組合形成光敏聚合物，用于TE應(yīng)用。

3.5. 濕響應(yīng)材料
濕響應(yīng)材料在潮濕環(huán)境中吸收或失去水分，導(dǎo)致膨脹、折疊或扭曲。這些材料廣泛應(yīng)用于軟機(jī)器人和驅(qū)動器中。例如，微晶纖維素(MCC)基材料在潮濕環(huán)境中表現(xiàn)出彎曲特性，UV輔助直接墨水書寫的3D打印結(jié)構(gòu)在濕度變化下能改變形狀。此外，纖維素、絲素蛋白、聚氨酯(PU)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)等材料展示了良好的濕響應(yīng)特性，適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

3.6. pH響應(yīng)材料
pH響應(yīng)材料包含不同的功能化學(xué)基團(tuán)，如吡啶、羧基、磷酸磺酸等。這些材料在環(huán)境pH變化時，通過傳遞或獲得質(zhì)子引發(fā)膨脹或收縮，應(yīng)用于基因傳遞系統(tǒng)、DDS和葡萄糖傳感器。天然生物聚合物如透明質(zhì)酸(HA)、膠原蛋白、海藻酸鹽(Alg)、殼聚糖(CS)等，以及合成聚合物如聚組氨酸(PHIS)和聚丙烯酸(PAA)，在組織工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛應(yīng)用。

3.7. 生物反應(yīng)材料
生物反應(yīng)材料利用生物酶、葡萄糖等生物刺激引發(fā)形狀變形。這類材料在TERM相關(guān)應(yīng)用中展示了潛力。例如，由凝血酶和堿性磷酸酶觸發(fā)的仿生水凝膠，形成纖維蛋白沉積和鈣化，應(yīng)用于4D打印。功能化水凝膠可對生物信號產(chǎn)生反應(yīng)，在結(jié)合其他物理或化學(xué)反應(yīng)時，展示出更廣泛的應(yīng)用前景。

3.8. 多響應(yīng)材料
多響應(yīng)材料對多種刺激敏感，能夠在不同條件下表現(xiàn)出化學(xué)和構(gòu)象變化，應(yīng)用于TERM、DDS和軟機(jī)器人技術(shù)。例如，對pH和溫度敏感的雙刺激聚合物，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的雙響應(yīng)水凝膠，展示了良好的生物相容性和應(yīng)用前景。多敏感聚合物材料在組織工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

3.9 支架開發(fā)
利用4D生物打印技術(shù)開發(fā)復(fù)雜的組織支架，通過改變聚合物材料的形狀和功能來保證細(xì)胞應(yīng)力。多孔結(jié)構(gòu)可生物降解聚合物基支架在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。例如，基于AESO的支架在人體溫度下恢復(fù)原始形狀，并顯示出良好的細(xì)胞增殖和功能分化能力。其他生物聚合物（如木質(zhì)素和纖維素）在潮濕刺激下也表現(xiàn)出高響應(yīng)性，用于3D打印支架。

3.10 綜述
4D打印技術(shù)在制造復(fù)雜組織和支架方面顯示出巨大潛力。通過改變聚合物材料的形狀和功能，4D打印支架在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，包括細(xì)胞增殖、功能分化和微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用。多種響應(yīng)材料（熱響應(yīng)、磁響應(yīng)、電響應(yīng)、光響應(yīng)、濕響應(yīng)、pH響應(yīng)、生物反應(yīng)和多響應(yīng)材料）在4D打印中被廣泛應(yīng)用，為組織工程、藥物傳遞和智能材料的發(fā)展提供了新的可能性。

04 生物學(xué)領(lǐng)域的4D打印
4D生物打印技術(shù)利用形狀記憶聚合物（SMPs）和生物聚合物開發(fā)出多孔、可生物降解的支架，這些支架在溫度和機(jī)械刺激下表現(xiàn)出優(yōu)異的形狀記憶和生物相容性，有助于復(fù)雜組織的再生和修復(fù)，并在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

4.1. 骨組織工程/再生
小骨骨折和缺損通常可以自我修復(fù)，但對于不規(guī)則的骨缺損，4D生物打印技術(shù)展現(xiàn)出巨大潛力。該技術(shù)通過外部刺激改變3D打印支架的形狀，從而更好地適應(yīng)骨缺損的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。Wang等人開發(fā)了一種通過加入成骨肽和黑磷納米片（BPNSs）構(gòu)建的光熱敏感β-磷酸三鈣（TCP）和聚乳酸-co-三亞甲基碳酸酯（PLA-TMC）基支架。研究表明，支架在近紅外輻射（NIR）下重新配置形狀，并在大鼠顱骨缺損模型中表現(xiàn)出改善骨再生的能力，其力學(xué)特性與原始小梁骨相當(dāng)。

另一種解決骨移植挑戰(zhàn)的方法是使用膨脹聚合物材料，這些材料可以增加支架孔隙大小，從而為支架內(nèi)部提供氧氣和營養(yǎng)。Gladman等人將含有丙烯酰胺基質(zhì)和纖維素原纖維的植物啟發(fā)水凝膠復(fù)合生物墨水，合成了動態(tài)仿生4D打印結(jié)構(gòu)。纖維素原纖維的方向排列使得打印結(jié)構(gòu)在縱向上產(chǎn)生膨脹變形。類似地，Ding等人利用甲基丙烯酸化海藻酸鹽（MA）、甲基丙烯酸化明膠（GelMA）和聚乙二醇（PEGDA）等聚合物，制備了承載細(xì)胞的支架，顯示出骨樣組織發(fā)育的能力。

4D生物打印的體內(nèi)響應(yīng)對于滿足全球醫(yī)療需求至關(guān)重要。Liu等人采用HA/PCL基SMP制備了多孔支架，并將其用于下頜骨修復(fù)。研究結(jié)果表明，這些支架在生理溫度下能夠恢復(fù)到原來的多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的植入潛力。

Su等人生產(chǎn)了近紅外光響應(yīng)的可注射水凝膠，用于舌癌的光熱治療（PTT）。這些材料在小鼠原位舌癌模型中表現(xiàn)出完全根除腫瘤的能力，對周圍組織無副作用，有望應(yīng)用于口腔癌的臨床治療。Wang等人打印的新型MXene中空纖維（MX-HF）支架，由于其光熱轉(zhuǎn)換能力和溫度響應(yīng)行為，有助于血管化和皮瓣再生，并顯示出NIR響應(yīng)的腫脹/收縮行為，促進(jìn)細(xì)胞滲透到支架通道。

小結(jié)
4D生物打印技術(shù)通過使用智能材料如形狀記憶聚合物（SMPs）和生物聚合物，實現(xiàn)了在骨組織工程和癌癥治療中的廣泛應(yīng)用。這些支架能夠根據(jù)外部刺激改變形狀和功能，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性和響應(yīng)性，具有顯著的臨床應(yīng)用潛力。通過4D生物打印技術(shù)制造的支架不僅能夠更好地適應(yīng)骨缺損的復(fù)雜幾何形狀，還能夠在體內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)，推動骨再生和組織修復(fù)。此外，4D打印材料在癌癥治療中的應(yīng)用，如光熱治療，也顯示出良好的治療效果和安全性，為未來的臨床應(yīng)用提供了新的可能性。

4.2. 心臟組織工程
4D生物打印是一種有前途的策略，用于解決與血管化組織相關(guān)的挑戰(zhàn)，該技術(shù)的多功能性已經(jīng)通過使用自折疊機(jī)制將2d平面幾何形狀轉(zhuǎn)換為響應(yīng)外部刺激的3D微尺度空心管(MHTs)的小或大尺寸血管化模型的開發(fā)來說明[298]，[299]。這些模型通過應(yīng)用生物墨水材料，隨著時間的推移改變物理特性，經(jīng)歷局部重塑與3D生物打印相反，3D生物打印還有助于在mht中實現(xiàn)均勻的細(xì)胞分布[301]。如今，smp、光交聯(lián)水凝膠和MSCs主要用于通過4D生物打印開發(fā)自折疊結(jié)構(gòu)[302]。此外，光交聯(lián)水凝膠可以通過水刺激自折疊構(gòu)建微血管支架[303]，如圖18(a)所示。

同樣，Lai等[304]通過調(diào)節(jié)取向程度，4d生物打印了GelMA/poly(d,l-乳酸)(PDLLA)-co-TMC-based支架，如圖18(b)所示。制備的微血管支架在生理溫度下加熱后折疊，具有與血管相當(dāng)?shù)膬?nèi)徑。此外，這些MHTs表現(xiàn)出非凡的生物相容性和細(xì)胞增殖能力。

此外，基于擠出的生物打印技術(shù)也被用于開發(fā)聚合物熔體電寫的雙層MHTs復(fù)合材料與光交聯(lián)水凝膠[305]。血管模型的3d打印仍處于初級階段。需要解決不同的挑戰(zhàn)，包括對3d打印結(jié)構(gòu)的刺激響應(yīng)應(yīng)變的可逆時空控制以及血管系統(tǒng)中的細(xì)胞定向。
 

Fig. 18. (a1) 示意圖展示了制備基于GelMA的MHT的步驟；(a2) MHT的形態(tài)學(xué)特征（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[303]，并獲得許可）；(b1) 示意圖展示了用于制造基于GelMA/PDLLA-co-TMC微血管支架的4D打印技術(shù)；(b2-b3) 基于GelMA/PDLLA-co-TMC的支架的宏觀照片（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[304]，版權(quán)所有2020年，材料研究學(xué)會）；(c1) 圖示了通過傾斜纖維角度（30度、45度和60度）使用4D打印技術(shù)制造BCP的設(shè)計，提供更好的曲率和可伸展性；(c2) 4D打印修補(bǔ)片的體內(nèi)響應(yīng)（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[306]，版權(quán)所有2020年，科學(xué)進(jìn)展）。

4.3. 神經(jīng)組織工程
(NTE)支架可以模擬ECM的結(jié)構(gòu)和組成，以幫助細(xì)胞粘附、增殖和增殖分化[309]。此外，3d打印的微溝槽還有助于神經(jīng)向特定方向生長，因為神經(jīng)功能依賴于神經(jīng)纖維的重新連接[310]。Miao等人[174]已經(jīng)采用NTE方法，通過4D生物打印和使用含有AESO、hMSCs和石墨烯的生物墨水來開發(fā)神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管(NGCs)，如圖19(a)所示�；�于光敏aeso的聚合物在打印結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)彎曲，而基于石墨烯的NPs通過促進(jìn)hMSCs向神經(jīng)細(xì)胞分化來增強(qiáng)生物材料的導(dǎo)電性。作者指出，基于AESO的SMP在37°C時恢復(fù)了其永久形狀，這一特性被應(yīng)用于開發(fā)智能NGCs，其具有神經(jīng)移植的多功能特性，包括動態(tài)膨脹、化學(xué)提示、物理引導(dǎo)和無縫集成。

[313]將神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)分散到pu基水凝膠中，然后加入明膠。結(jié)果表明，在生理溫度下，打印的生物制品具有良好的增殖和分化能力。生物可降解水凝膠在斑馬魚模型中的體內(nèi)反應(yīng)表明，3d打印產(chǎn)品成功地拯救了斑馬魚的神經(jīng)損傷。同樣，Apsite等人[311]使用聚甘油癸二酸酯(PGS)- pcl /MA-HA為基礎(chǔ)的雙層墊開發(fā)了NGCs。結(jié)果表明，打印的軟質(zhì)NGCs具有良好的生物相容性和降解抗性，如圖19(b)所示。此外，人工神經(jīng)移植物上培養(yǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞(PC-12)也表現(xiàn)出良好的細(xì)胞粘附、分化和增殖能力。同樣，Wu等人[314]也通過4D生物打印制造了一種具有自我修復(fù)能力的水凝膠，這種水凝膠有可能應(yīng)用于神經(jīng)再生。
 

Fig. 19. 基于4D打印的石墨烯納米混合再編程N(yùn)GC；(a1) 不同鳥類飛行結(jié)構(gòu)的模型；(a2) 實際的4D打印再編程N(yùn)GC；(a3-a4) 通過“熱機(jī)械編程”形態(tài)轉(zhuǎn)變設(shè)計的完整NGC管狀結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[174]，版權(quán)所有2018年，WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA，Weinheim）；(b1) 顯示自折疊的PGS-PCL/MA-HA雙層在降解前的宏觀圖像；(b2) 顯示自折疊的PGS-PCL/MA-HA雙層在降解1個月后的宏觀圖像；(b3) PGS-PCL/MA-HA雙層的SEM圖像（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[311]，并獲得許可）。

4.4. 軟骨組織工程
4D生物打印技術(shù)開發(fā)出合適的軟骨組織工程(CTE)支架，用于軟骨組織損傷處的再生位置[315]。3d生物打印技術(shù)也被用于開發(fā)用于軟骨修復(fù)的彎曲氣管植入物[316]。例如，嵌在丙烯酰胺基質(zhì)中的單列納米纖維素纖維在膨脹時產(chǎn)生縱向變形。復(fù)雜的曲率在膨脹過程后被填充[292]。例如，Kim等[317]通過基于光交聯(lián)絲素蛋白的水凝膠進(jìn)行了4d打印氣管植入，如圖20(a)所示。作者采用DLP技術(shù)制造了一種載細(xì)胞的水凝膠結(jié)構(gòu)，并將其植入家兔體內(nèi)，以評估其體內(nèi)反應(yīng)。結(jié)果顯示，兔氣管軟骨再生良好。

考慮到CTE的應(yīng)用，Betsch等[319]在打印過程中通過對基質(zhì)的實時重塑來控制膠原纖維的方向，并采用該方法開發(fā)人工纖維軟骨。作者設(shè)法開發(fā)了包含不同層磁性軟骨細(xì)胞負(fù)載生物墨水的復(fù)雜軟骨支架，如圖20(c)所示。一些結(jié)構(gòu)，包括魚鱗和肌腱-骨附著，表現(xiàn)出不同的組成和不同的特征[320]。Kuang等人[318]開發(fā)了具有可定制機(jī)械特性的4d打印功能梯度聚合物產(chǎn)品。作者報告說，如圖20(b)所示，骨骼周圍的軟肌肉可以通過這些材料打印出來。
 

Fig. 20. (a1) 示意圖展示基于絲素的4D打印水凝膠制備步驟；(a2) 描述通過體外培養(yǎng)實現(xiàn)的形態(tài)變形效果的圖示（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[317]，版權(quán)所有2020年，Elsevier）；(b1-b2) 不同視角顯示混合硬軟肌肉的人工肢體結(jié)構(gòu)設(shè)計（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[318]，并獲得許可）；(c1) 含磁力重塑生物墨水材料的4D生物打印適配器；(c2) 基于聚合物的4D打印人工軟骨（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[319]，版權(quán)所有2018年，WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA，Weinheim）。

4.5. 藥物遞送
利用4D生物打印技術(shù)，可以精確制備多種藥物遞送系統(tǒng)（DDS），包括片劑、多層DDS、透皮系統(tǒng)、分散膜、真皮皮膚貼片、納米混懸液、直腸和陰道給藥系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不僅能夠定制機(jī)械強(qiáng)度和形狀，還能通過響應(yīng)外部信號實現(xiàn)生物分子的傳遞。例如，開發(fā)了智能自動繃帶，具備PH敏感傳感器，能根據(jù)外部信號和異常病理狀態(tài)釋放藥物。此外，研究展示了熱響應(yīng)性DDS、定向DDS的開發(fā)，以及核-殼水凝膠系統(tǒng)和具有突出形狀記憶效應(yīng)的復(fù)合材料。這些創(chuàng)新包括可注射藥物輸送系統(tǒng)和環(huán)境自適應(yīng)形狀變形微型機(jī)器人，展示了在藥物釋放和微貨物操作方面的廣泛應(yīng)用潛力。

4.6. 醫(yī)療器械
4D生物打印技術(shù)推動了復(fù)雜和個性化醫(yī)療器械的發(fā)展，包括血管修復(fù)裝置、支架和骨科植入物。其中，SMP基藥物洗脫支架在藥物釋放控制方面表現(xiàn)出色，并廣泛應(yīng)用于血管化。這些支架不僅可以幫助打開血管，還能釋放抗血小板和抗增殖藥物，同時通過3D打印技術(shù)可以最小化手術(shù)侵入性。

熱響應(yīng)和化學(xué)觸發(fā)的聚合物材料通常用于制造具有出色生物力學(xué)性能的螺旋產(chǎn)品。重要考慮因素包括釋放性能、生物相容性以及與血小板的粘附性。例如，Wang等人研究了基于嵌入通道的雙層PDMS和SMP的形狀可編程3D微流控結(jié)構(gòu)，展示了在不同幾何形狀下的溫度刺激下的逆行形狀變形行為和編程能力。

另外，可調(diào)諧聲場下開發(fā)的由活心肌細(xì)胞組成的功能性生物機(jī)器人也展示了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。這些生物機(jī)器人利用自然的收縮-放松運(yùn)動來實現(xiàn)驅(qū)動功能，為未來的生物醫(yī)學(xué)工程提供了新的可能性。

4.7. 其它生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
4D生物打印技術(shù)是一種前景廣闊的技術(shù)，具有發(fā)展其他4D打印產(chǎn)品的巨大潛力。圖26展示了其它生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括仿生手、夾板和肘部保護(hù)器的開發(fā)。在另一項創(chuàng)新工作中，Kashyap等人提出了對4D打印多孔PU基SMP的透視檢查。通過添加氯化鈉和鎢，分別開發(fā)了多孔性和射線透明性，這些泡沫材料經(jīng)過蒸餾水清潔后，形成了適用于內(nèi)血管線圈的放射性多孔4D打印生物產(chǎn)品。研究人員還在努力通過4D生物打印制造和設(shè)計腺體組織。當(dāng)前的腫瘤學(xué)挑戰(zhàn)是開發(fā)腫瘤微環(huán)境的體外模型。Kwag等人通過種植SUM159細(xì)胞開發(fā)了基于PEGDA/GelMA的雙層水凝膠，這些彎曲、管狀和折疊的生物相容結(jié)構(gòu)對評估乳腺導(dǎo)管癌體外模型至關(guān)重要。4D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在細(xì)胞尺度。Booth等人的研究中，采用水在油滴方法打印出類似組織的結(jié)構(gòu)。他們將無細(xì)胞表達(dá)打印到油性環(huán)境中，隨后通過外部光刺激，成功模擬出功能性的神經(jīng)傳輸。
 

Fig. 26. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的4D打印零件示例；(a) 用于骨修復(fù)的4D打印雙層膜（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[243]，版權(quán)所有2021年，Wiley-VCH Gmbh）；(b) 經(jīng)導(dǎo)管LAA閉合的體外可行性研究（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[229]，版權(quán)所有2021年，美國化學(xué)學(xué)會）；(c1) 多功能矯形夾板的實際設(shè)計模型；(c2) 4D打印矯形夾板的壓力釋放和硬軟區(qū)域分布；(c3) 4D打印中孔結(jié)構(gòu)的特征；(c4) 用戶穿戴的矯形夾板（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[349]，版權(quán)所有）；(d) 紙張手勢轉(zhuǎn)換為不同手勢的仿生手的變換；（a）紙；（b）剪刀；（c）石頭（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[350]，版權(quán)所有2021年，美國化學(xué)學(xué)會）；(e) 用于肘部保護(hù)器的可適應(yīng)和個性化模式的4D打印PLA/PCL基礎(chǔ)絲（轉(zhuǎn)引自參考文獻(xiàn)[226]，版權(quán)所有2020年，Elsevier）。

05 展望
4D生物打印技術(shù)是一項尖端技術(shù)，通過處理數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像展示出優(yōu)秀的自動化控制能力，能夠定制復(fù)雜產(chǎn)品的組件。該技術(shù)通過構(gòu)建和設(shè)計三維細(xì)胞載體動態(tài)結(jié)構(gòu)，正在擴(kuò)展和創(chuàng)新生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究途徑。最近的研究表明，高科技研究人員利用4D生物打印展示了不同刺激響應(yīng)聚合物的發(fā)展，并評估了它們在生物力學(xué)性能上的應(yīng)用，包括生物傳感器、致動器、組織工程再生醫(yī)學(xué)、傷口愈合和藥物輸送系統(tǒng)。然而，當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)包括對多刺激材料的探索、經(jīng)驗建模要求、改善維管組織的生物相容性和相互連接、以及商業(yè)化應(yīng)用的推廣。這些挑戰(zhàn)的克服將推動4D生物打印技術(shù)在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，如骨科、心臟病學(xué)、神經(jīng)學(xué)、軟骨修復(fù)、皮膚再生、藥物輸送系統(tǒng)、醫(yī)療器械和個性化醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。