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行業動態

用于下一代組織再生與醫學器械的4D打印策略

發布時間：2022-01-06 15:39:13

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、生物醫學支架、藥物遞送等領域，受到學術界和工業界的極大關注。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打印的監管和商業化進展，總結了當前存在的技術挑戰和發展趨勢。

圖1：4D打印工藝的刺激源可分為內部刺激和外部刺激，以及內應力、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則表面呈現非均勻分布。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打印醫療器械的另一優點是能夠在微創手術中減少原位創傷，顯著提高患者舒適度。考慮到損傷組織的形狀不規則，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，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學器械提供了可能，包括自緊縫線、血管支架、神經支架、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植入的4D打印細胞支架和醫療器械的研究，以闡述其潛在的臨床應用。但我們也不難發現現階段4D打印醫療器械仍處于研發階段，并未開展臨床試驗，更多的體外和體內實驗仍有待進一步開展。

綜上所述，4D打印用于生物醫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學器械的突出潛力。雖然該領域還存在若干挑戰，多學科的交叉與合作將會加快推進4D生物打印技術的發展，并最終實現其臨床轉化。

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會的支持；作者王越感謝浙江大學爭創優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·華盛頓大學作為聯合培養博士生學習。主要研究包括3D打印和4D打印及其在生物醫學工程中的應用。

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。

來源：高分子科學前沿

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