研究员开发出用于组织工程的4D智能支架

尽管生物3D打印技术被广泛用于构建复杂的生物相容性结构，但研究人员现在试图将该技术扩展到第四维。在这里，3D打印物体可以随着时间的推移而“自我转换”，这意味着当结构暴露于物理刺激如渗透压、热量、当前UV光或其他能源时，它们可以呈现不同的形式或功能。

现在，美国研究人员已经表明，他们可以通过利用天然大豆油作为生物链材料来制造4D分级微图案。这项发表在Biofabrication杂志上的工作描述了微图案如何用作组织工程和再生应用中的生物相容性、形状改变的支架（Biofabrication 10 035007）。“我们使用智能天然脂质-大豆环氧化丙烯酸酯（SOEA）作为油墨材料来制造生物相容性、形貌和4D动态变形组织支架，”美国乔治华盛顿大学的团队负责人Lijie Grace Zhang说。

这种4D材料已经在其他领域得到了证明。最着名的例子之一是形状记忆合金，其中温度的变化触发合金形状的变化。尽管组织工程应用仍处于起步阶段，但4D打印可能最终允许进行组织移植，并更好地模拟生物组织和器官，这些组织和器官包含结构各向异性组分。这种结构组织影响细胞在生物结构中排列的方式，因为它们响应依赖于生物结构表面形貌的“线索”。尽管研究人员已经开发出许多技术来制造可以调节细胞行为的纳米和微结构，但仍然难以制造仿生组织支架，这些组织支架以与自然对应物相同的方式响应地形线索。

复杂的表面微图案

Zhang表示，“这是一种在宏观架构上产生表面结构的技术。我们采用的技术-立体光刻平版打印-串联工艺（PSTS），依靠用光刻和立体平版打印技术顺序处理相同的油墨原料。”

立体光刻平版打印串联工艺

该团队使用SOEA作为油墨材料，该油墨材料源自大豆油-一种天然的可再生资源，近年来它作为一种生物材料备受关注。“使用光刻步骤，我们能够在几秒钟内制作出10微米厚的液态SOEA薄膜，”Zhang说。 “通过立体平版打印技术，该薄膜进一步固化，生成复杂的表面微图案，这归功于逐层工艺。”

形状转换结构

当被外部刺激触发时，制造的支架可以改变形状，这意味着它们可以更好地模拟适应其形态的天然生物结构。细微的表面模式也可用于调节人类干细胞如人骨髓间充质干细胞（hMSC）的行为。“我们获得并分析的图像（使用美国国立卫生研究院软件）显示，人类间充质干细胞主动生长并沿着微图案高度对齐，形成一个不间断的细胞片层，”Zhang表示。

作为概念证明，研究人员制造了一种4D贴片，用于再生心脏细胞，显示心脏组织的显着增长。“这项研究显示了这些智能修补支架作为未来组织和器官再生的可植入材料的巨大潜力，”张说。

据悉，该团队还包括来自巴尔的摩马里兰大学的科学家。他表示，现在正在计划将4D bioprint光敏智能生物材料和可重编程架构用于心脏再生和生物钟机器人应用。