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智能生物材料
目前用于 4D 生物打印的智能生物材料主要包括形状记忆…4D 生物打印技术将时间维度融入 3D 生物打印赋予打印出的结构动态变化的能力使其更接近于真实组织和器官的特性。要实现这一目标需要使用智能生物材料和智能设计策略。
智能生物材料
目前用于 4D 生物打印的智能生物材料主要包括形状记忆聚合物 (SMPs) 和形状变形水凝胶 (SMHs)以及它们的复合材料。
形状记忆聚合物 (SMPs)
SMPs 是一种智能聚合物材料能够在受到外部刺激如温度、磁场、应力或光时保持临时形状并在刺激消失后恢复永久形状。
热编程这是最常用的重塑策略与材料的转变温度 (Tt) 密切相关。通过加热到高于 Tt 的温度并保持一段时间可以将 SMPs 结构变形为“永久”形状。然后将其冷却到低于 Tt 并卸载以记住变形形状。在低于 Tt 的温度下SMPs 结构可以任意变形为任何临时形状。当直接或间接加热到高于 Tt 的温度时SMPs 结构可以发生形状转变并恢复其永久形状。
其他编程策略除了热编程之外还可以通过冷编程和相分离编程来控制 SMPs 的形状变化。
SMPs 在 4D 生物打印中具有广泛的应用例如
PLA可以被加工成一系列二维形状变换图案并通过加热变形为各种三维形态。
SOEA可以被 4D 打印成具有可编程形状变形行为的组织工程支架。 形状变形水凝胶 (SMHs)
SMHs 是一种含有水分子的聚合物网络通过物理或化学机制保持稳定。它们具有可逆的体积膨胀或收缩特性可以用来制造能够随时间改变形状的动态结构。
跨厚度梯度通过控制水凝胶厚度方向上的交联度梯度可以使水凝胶在水中浸泡时自弯曲或折叠。
跨平面梯度通过引入水凝胶平面方向上的膨胀比梯度可以使水凝胶在水中浸泡时自弯曲或折叠。
厚度和平面梯度通过引入水凝胶厚度和平面方向上的膨胀比梯度可以制造具有改进形状变形能力的结构。
SMHs 在 4D 生物打印中的应用非常广泛例如
AlgMA可以 4D 打印成各种形状包括管状结构和花朵。
GelMA可以 4D 打印成具有自弯曲能力的管状结构并将其用于血管再生。 智能复合材料 (SCBs)
为了克服单一生物材料的局限性可以开发智能复合材料 (SCBs)将适当的增强材料如微颗粒、纳米纤维和薄片添加到基质中。
Laponite 纳米粘土可以提高水凝胶的流变性能和可打印性。
磁性纳米颗粒可以赋予 SMPs 或 SMHs 遥控和/或循环驱动能力。 智能设计
智能设计对于调节 4D 生物打印结构的形状和功能变化至关重要。
形状记忆聚合物 (SMPs)需要根据其形状记忆机制和打印路径来编程。
形状变形水凝胶 (SMHs)需要考虑打印参数、材料属性和打印路径等因素。
4D 打印机类型需要根据打印路径和目标组织选择合适的打印机类型。
目标组织需要根据目标组织的类型和功能来设计动态支架。
数学模型和仿真
为了辅助形状变换的设计可以开发数学模型和仿真工具例如
Timoshenko 双金属模型可以用于描述和预测 SMHs 的变形行为。
有限元分析 (FEA)可以用于模拟 4D 生物打印结构的形状转变过程。
机器学习 (ML)可以用于优化 4D 生物打印路径例如通过机器学习-进化算法 (ML-EA)。 总而言之智能生物材料和智能设计是 4D 生物打印成功的关键。随着这些技术的不断发展4D 生物打印将在组织工程、再生医学和其他领域发挥越来越重要的作用。
参考文献
Lai J, Liu Y, Lu G, et.al. 4D bioprinting of programmed dynamic tissues. Bioact Mater. 2024 Apr 23;37:348-377.
