?近年來，3D打印技術以其靈活多變的打印方式構(gòu)筑復雜物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢而風靡全球。3D打印技術的日漸成熟也讓3D打印在醫(yī)療市場發(fā)揮著越來越不可忽視的作用。

但通常，3D打印的物體只是靜態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，不會隨時間推移而產(chǎn)生功能特性，而這則在很大程度上限制了其在醫(yī)療市場的應用。

近日，伊利諾伊大學芝加哥分校研究人員稱，他們開發(fā)出的一種新型4D水凝膠材料，可在心理刺激下改變形狀。這不僅有效解決了3D打印在醫(yī)療市場的局限，更有可能在未來成為制作生物工程組織和器官的下一代材料。

在材料上，4D和3D類似，不同的是，4D更超越了我們目前三維空間維度的認知，在4D打印的技術里，我們可以賦予打印體特定時間或者特定條件下自動發(fā)生改變的，或者成為自我變化、自我組裝的物體。

也就是說，4D材料能夠在水、光等特定的環(huán)中實現(xiàn)形狀的動態(tài)變化。4D材料就是可以進行幾何變化的3D材料。

鑒于4D打印技術的優(yōu)越性，此前生物工程研究者已將 4D 材料視為組織工程結(jié)構(gòu)制造的潛在材料，但目前尚存在無法降解以及與細胞兼容問題，這也限制了其在再生醫(yī)學方面的應用。

此外，對于組織工程，傳統(tǒng)的技術已經(jīng)涉及到例如培養(yǎng)生物可降解聚合物支架，使細胞在充滿液體營養(yǎng)液的生物室中存活。并且，隨著時間的推移，當提供適當?shù)男盘枙r，細胞的數(shù)量會成倍增加，并在支架降解時產(chǎn)生具有支架形狀的新組織。

然而，幾何靜態(tài)支架不能形成隨時間動態(tài)改變形狀的組織，也不能促進與改變形狀的鄰近組織的相互作用。

此次研究中，研究人員為將4D打印技術的優(yōu)勢應用于生物工程中，通過氧化的甲基丙烯酸海藻酸鹽（OMA）和甲基丙烯酸明膠（GelMA）的光交聯(lián)，制備了在沒有外界刺激的情況下具有可控幾何變化的雙層水凝膠。

這種能與細胞兼容的可實現(xiàn)生物降解的新型 4D 材料，具有明確的4D幾何變化，或?qū)⑦M一步擴大這種方法在再生醫(yī)學中的應用前景。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，可通過控制水凝膠發(fā)生形狀變化的程度和所需的時間對系統(tǒng)進行校準。他們還用實驗驗證了將骨髓干細胞以非常高的密度嵌入到水凝膠中，且使其保持細胞活性。

水凝膠支持高細胞密度的特性，使得它們能夠更緊密地模仿組織形式或自然治愈過程，該系統(tǒng)不僅有望用于組織工程，也可以用于研究早期發(fā)育過程中的生物過程，這對生物工程的實際應用無疑具有重要意義。