新型4D水凝胶材料：打破3D打印在医疗市场的局限

文／陈根

近年来，3D打印技术以其灵活多变的打印方式构筑复杂物理结构的优势而风靡全球。3D打印技术的日渐成熟也让3D打印在医疗市场发挥着越来越不可忽视的作用。

但通常，3D打印的物体只是静态的三维结构，不会随时间推移而产生功能特性，而这则在很大程度上限制了其在医疗市场的应用。

近日，伊利诺伊大学芝加哥分校研究人员称，他们开发出的一种新型4D水凝胶材料，可在心理刺激下改变形状。这不仅有效解决了3D打印在医疗市场的局限，更有可能在未来成为制作生物工程组织和器官的下一代材料。

在材料上，4D和3D类似，不同的是，4D更超越了我们目前三维空间维度的认知，在4D打印的技术里，我们可以赋予打印体特定时间或者特定条件下自动发生改变的，或者成为自我变化、自我组装的物体。

也就是说，4D材料能够在水、光等特定的环中实现形状的动态变化。4D材料就是可以进行几何变化的3D材料。

鉴于4D打印技术的优越性，此前生物工程研究者已将 4D 材料视为组织工程结构制造的潜在材料，但目前尚存在无法降解以及与细胞兼容问题，这也限制了其在再生医学方面的应用。

此外，对于组织工程，传统的技术已经涉及到例如培养生物可降解聚合物支架，使细胞在充满液体营养液的生物室中存活。并且，随着时间的推移，当提供适当的信号时，细胞的数量会成倍增加，并在支架降解时产生具有支架形状的新组织。

然而，几何静态支架不能形成随时间动态改变形状的组织，也不能促进与改变形状的邻近组织的相互作用。

此次研究中，研究人员为将4D打印技术的优势应用于生物工程中，通过氧化的甲基丙烯酸海藻酸盐（OMA）和甲基丙烯酸明胶（GelMA）的光交联，制备了在没有外界刺激的情况下具有可控几何变化的双层水凝胶。

这种能与细胞兼容的可实现生物降解的新型 4D 材料，具有明确的4D几何变化，或将进一步扩大这种方法在再生医学中的应用前景。

研究人员还发现，可通过控制水凝胶发生形状变化的程度和所需的时间对系统进行校准。他们还用实验验证了将骨髓干细胞以非常高的密度嵌入到水凝胶中，且使其保持细胞活性。

水凝胶支持高细胞密度的特性，使得它们能够更紧密地模仿组织形式或自然治愈过程，该系统不仅有望用于组织工程，也可以用于研究早期发育过程中的生物过程，这对生物工程的实际应用无疑具有重要意义。