4D生物打印輕松解鎖單一復合水凝膠復雜動態(tài)變形

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在組織工程領域， 傳統(tǒng)3D生物打印雖能構建結構復雜的體外組織，卻難以模擬天然組織的動態(tài)變化過程。4D生物打印應運而生，其引入“時間”維度，使打印結構能夠在外部刺激（如濕度、溫度等）下發(fā)生預設的形狀或功能變化。然而，現(xiàn)有4D打印技術面臨兩大關鍵挑戰(zhàn)：智能生物墨水種類有限以及打印路徑設計復雜，這嚴重限制了其應用范圍。為應對這些挑戰(zhàn)，近期，香港中文大學李中教授和段崇智教授團隊開發(fā)了一種新型智能復合水凝膠（MX/GG）。該水凝膠由明膠（Gelatin）、甲基丙烯�；�明膠（GelMA）和二維過渡金屬碳化物（MXene）復合而成，具備優(yōu)異的可打印性、形狀變形能力和細胞負載能力。同時，研究團隊提出了一種簡單高效的4D打印策略：通過調控結構中不同形變區(qū)域的厚度，在單次紫外（UV）光照射后即可于不同空間位置實現(xiàn)差異化的交聯(lián)梯度，從而成功實現(xiàn)了濕度驅動的單向和雙向自彎曲動態(tài)變形。

相關研究成果以“Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient”為題已經發(fā)表在Wiley創(chuàng)辦的期刊《Advanced Science》上。

圖1 MX/GG智能水凝膠4D生物打印實現(xiàn)程序化3D形變的示意圖（H-XLR：高交聯(lián)區(qū)；L-XLR：低交聯(lián)區(qū)）

研究內容：
材料特性： MXene的摻入改變了GG水凝膠的多項性能（圖1）。測試結果表明，MXene的添加增強了GG水凝膠在330–1000 nm波長范圍內的光吸收能力。同時，MX/GG水凝膠的儲能模量和楊氏模量均隨MXene濃度增加而降低。MXene含量的提升還增大了水凝膠的溶脹率，其中含5.0 wt% MXene的MX/GG水凝膠（5.0MX/GG）吸水能力顯著高于含1.0 wt% MXene的樣品（1.0MX/GG）。所有MX/GG水凝膠均呈現(xiàn)多孔結構，且其孔徑與孔隙率在較高MXene負載量下均有所增大。此外，MXene作為一種具有優(yōu)異導電性的二維納米材料，其引入顯著提高了復合水凝膠的電導率。綜合以上結果，證實了MX/GG水凝膠具有良好的光吸收性能、高孔隙率以及優(yōu)異的導電性。

圖2 MX/GG的基本性能表征。(a) 光吸收譜；(b) 儲能模量；(c) 楊氏模量；(d) 水凝膠溶脹；(e) 水凝膠表面形態(tài)；(f) 孔徑；(g) 孔隙率；(h) 點亮LED； (i) 不同MXene濃度下水凝膠的電導率

厚度調制的彎曲行為：為探究 MX/GG 水凝膠作為 4D 打印墨水的潛力，將 MX/GG 水凝膠（1.0 mg/ml MXene濃度）打印成厚度從 0.25 mm 梯度增加至 1.0 mm的條帶（圖 3）。浸入去離子水后，不同厚度的條帶表現(xiàn)出截然不同的彎曲程度。值得注意的是，厚度為 0.25 mm 和 0.5 mm 的條帶其自彎曲方向與 0.75 mm 和 1.0 mm 厚條帶相反。橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及機械性能梯度分析證實了材料內部存在微觀結構梯度，以及彈性模量的漸變分布，表明H-XLR和L-XLR的形成。分析表明，不同厚度條帶中 L-XLR 與 H-XLR 的相對體積存在差異，因此水刺激誘導的彎曲方向取決于條帶結構中 L-XLR 與 H-XLR 的體積比例。為驗證這一由 H-XLR/L-XLR比例驅動的彎曲機制，ABAQUS 有限元分析（FEA）軟件被用于模擬不同比例下條帶的自變形行為，模擬結果與實驗觀測高度吻合。這些實驗與模擬結果共同表明，僅通過調整條帶厚度，在單次 UV 曝光條件下即可實現(xiàn)其多向彎曲。這種基于厚度調控的便捷方法為高效 4D 打印復雜曲面結構提供了新途徑。

圖3 4D打印1.0MX/GG水凝膠條帶的厚度（t）依賴性自彎曲行為及其H-XLR/L-XLR比例驅動機制。 (a) 不同厚度下的4D打印條帶；(b) 水刺激觸發(fā)自彎曲后的條帶（比例尺：5 mm）；(c) 不同厚度條帶彎曲角度的定量分析；(d) 不同厚度條帶橫截面的SEM圖像；(e) 不同厚度條帶橫截面彈性模量分布圖；(f) t ≤ 0.5 mm條帶的FEA雙層模型；(g, h) 厚度為 (g) 0.25 mm 和 (h) 0.5 mm條帶的模擬彎曲形態(tài)；(i) t ≥ 0.75 mm條帶的FEA雙層模型；(j, k) 厚度為 (j) 0.75 mm 和 (k) 1.0 mm條帶的模擬彎曲形態(tài)

4D打印復雜單向與雙向形變結構體： 基于實驗和FEA結果，我們建立了MX/GG智能水凝膠的4D打印工作流程。隨后，通過打印均勻厚度的平面圖案，成功制備了具有單向彎曲特性的復雜結構，包括三臂夾持器、四臂夾持器和五瓣花朵結構（圖4）。然而，天然組織通常展現(xiàn)出具有多向曲率的復雜形狀變形。為展示該策略的多功能性，我們通過編碼具有不同厚度的多個變形域，打印了一系列仿生結構。這些結構在單次UV曝光下形成獨特的網絡梯度，實現(xiàn)了一系列雙曲率結構，包括珊瑚蟲狀結構、千足蟲狀結構、蟹狀結構和蝎子狀結構 （圖5）。這些發(fā)現(xiàn)證明，該4D打印策略能夠有效將軟生物材料編程為復雜的動態(tài)架構，實現(xiàn)水刺激下的雙向自彎曲，從而克服了傳統(tǒng)制造的難題。

圖4 濕度響應性單向自彎曲結構的4D打印。 (a) 4D打印過程示意圖；(b-d) 不同單向自彎曲結構的4D打印結果：從左至右依次展示其CAD設計圖、FEA模型、模擬彎曲形態(tài)、打印圖案及變形后的3D結構照片；包括 (b) 三臂夾持器、(c) 四臂夾持器 和 (d) 五瓣花朵（比例尺：5 mm）

圖5 濕度響應性雙向自彎曲仿生結構的4D打印。(a-d) 仿生結構設計及變形表征：從左至右依次為各結構的CAD模型，F(xiàn)EA模擬變形結果，打印圖案，及變形后的三維結構照片，包括：(a) 珊瑚蟲狀結構；(b) 千足蟲狀結構；(c) 蟹狀結構；(d) 蝎狀結構（比例尺：5 mm）

生物應用驗證： 作為概念驗證，我們采用4D生物打印技術制備了負載神經細胞（PC12細胞）和人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的自彎曲條帶結構（圖6）。負載PC12細胞的條帶在培養(yǎng)基中自發(fā)彎曲形成3D曲面結構，細胞在其中均勻分布。經過7天和14天的分化培養(yǎng)，PC12細胞展現(xiàn)出漸進性的神經突生長，其長度和分支密度顯著增加。這一結果證實了該水凝膠優(yōu)異的4D生物打印適用性及其支持神經細胞分化的潛力，為構建可編程自折疊的神經化組織提供了可能。此外，研究團隊探索了利用HUVEC細胞模型構建動態(tài)血管化組織的可行性。在14天的培養(yǎng)期內，負載HUVECs的水凝膠條帶維持一定的曲率。免疫熒光染色結果顯示，細胞形態(tài)由圓形逐漸轉變?yōu)殇佌範顟B(tài)，并伴隨VE-cadherin表達上調；細胞最終自組裝形成血管樣網絡結構，充分凸顯了MX/GG水凝膠在模擬血管組織形態(tài)發(fā)生方面的潛力。

圖6 4D生物打印負載細胞的自彎曲結構及其細胞行為表征。(a-g) 負載PC12神經細胞的1.0MX/GG水凝膠條帶：(a) 4D生物打印條帶在培養(yǎng)基中自發(fā)彎曲；(b) 彎曲條帶橫截面的細胞分布熒光圖像；(c) (b)圖虛線框區(qū)域的高倍放大圖，顯示條帶內的PC12細胞；(d, e) 培養(yǎng)(d)7天和(e)14天后，彎曲條帶中分化PC12細胞的熒光圖像；(f, g) 相應的(f)平均神經突長度和(g)神經突數(shù)量定量分析。(h-j) 負載HUVECs的1.0MX/GG水凝膠條帶：(h) 條帶在14天培養(yǎng)期內的彎曲角度變化；(i) 培養(yǎng)14天后條帶內HUVECs形態(tài)的熒光圖像；(j) 培養(yǎng)14天后彎曲條帶的共聚焦三維重建圖像

研究總結：
本研究創(chuàng)新性地結合簡易的厚度調制與MXene納米片獨特的UV吸收效應，在單一復合水凝膠材料（MX/GG） 體系內，通過單步UV曝光實現(xiàn)了可編程梯度交聯(lián)網絡的構筑。這一簡便有效的策略成功規(guī)避了傳統(tǒng)4D打印對多材料體系或復雜后處理步驟的依賴，顯著簡化了工藝流程，提升了制造效率與可擴展性。通過控制厚度以控制局部交聯(lián)密度分布，該技術能夠驅動水凝膠結構實現(xiàn)復雜的單向及雙向自彎曲變形，在模擬天然生物系統(tǒng)固有的多向、多尺度曲率演變方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。本研究所開發(fā)的簡便、高效4D生物打印平臺，為再生醫(yī)學領域提供了強有力的新工具，有望廣泛用于構建具有仿生動態(tài)特性的可編程組織工程支架，例如神經導管和血管支架等。

通訊作者信息簡介：
李中（通訊作者）：香港中文大學生物醫(yī)學工程學系Vice-Chancellor Assistant Professor，InnoHK CNRM（香港科學園神經肌肉骨骼再生醫(yī)學中心）研究員，港中大生物醫(yī)學學院、組織工程與再生醫(yī)學研究所、洪克協(xié)痛癥研究所、消化疾病研究國家重點實驗室、再生醫(yī)學教育部重點實驗室（港中大-暨南大學）成員。獲工學學士（華南理工大學）、工學博士（新加坡南洋理工大學，NTU）學位，曾任美國匹茲堡大學醫(yī)學院骨科系博士后、匹茲堡大學醫(yī)學院神經生物學系研究助理教授。專注于骨科類器官、器官芯片與再生醫(yī)學研究。已發(fā)表SCI 論文80 余篇，H 因子30。獲Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) Young Investigator Award、美國骨科研究學會ORS 3Rs Award 等獎項。

課題組主頁：https://lilabcuhk.com/

段崇智（通訊作者）：香港中文大學校利國偉利易海倫組織工程學及再生醫(yī)學教授、第八任校長，曾任港中大組織工程學及再生醫(yī)學研究所首任所長。他的研究領域包括細胞和發(fā)育生物學、干細胞、生物材料、組織工程、再生醫(yī)學、3D打印、以及器官芯片和類器官技術。段教授獲推選為中國發(fā)明協(xié)會（CAI）首屆會士，美國國家發(fā)明家學會（NAI）會士，美國解剖學家協(xié)會（AAA）會士，美國骨科研究學會（ORS）會士，美國醫(yī)學與生物工程學會（AIMBE）會士，國際聯(lián)合骨科研究學會（ICORS）會士，及國際組織工程與再生醫(yī)學學會（TERMIS）會士，以表揚他藉創(chuàng)新和轉化研究造福社會的貢獻。

原文信息:
J. Lai, Z.A. Li, et al. Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient. Adv. Sci. (2025) e09449.
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202509449
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202509449

相關工作：
相關文獻
J. Lai, Z.A. Li, et al. 4D Bioprinting of Programmed Dynamic Tissues, Bioact. Mater. (2024) 37:348-377