李 巖，沙赟穎，孫婷婷，劉楚陽

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 泰州市骨組織工程技術(shù)中心，江蘇 泰州 225300）

動(dòng)態(tài)變形材料，通常是通過多材料3D打印技術(shù)制造的，但是其定義已經(jīng)快速地變得模糊和寬泛。本文中，我們把3D打印定義為:在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中，具有潛在應(yīng)用的生物打印。本文并進(jìn)行批判性回顧，強(qiáng)調(diào)和討論新可編程物以及3D打印方法。

1 滲透壓驅(qū)動(dòng)的基于水凝膠的生物墨水

實(shí)現(xiàn)3D打印生物材料的一種簡單機(jī)制是利用水凝膠固有的溶脹性質(zhì)。展示這一基本原理的開創(chuàng)性例子，就是由不同分子量的可光致交聯(lián)聚乙二醇（PEG）組成的雙層結(jié)構(gòu)的制備。當(dāng)它被放在水性環(huán)境中時(shí)，由于粘合的水凝膠層的不均勻溶脹，預(yù)先設(shè)計(jì)好的折疊結(jié)構(gòu)，會(huì)以可預(yù)測(cè)和可控的曲率，形成微圖案的球體、螺旋體或圓柱體。后來發(fā)現(xiàn)，浸泡在水中的打印平面結(jié)構(gòu)，可以由刺激引發(fā)形變。

2 智能材料的熱驅(qū)動(dòng)

除了基于水凝膠的可編程軟物質(zhì)外，利用熱塑性塑料的形狀記憶特性，也可以將第四維度賦予3D打印結(jié)構(gòu)。形狀記憶熱塑性塑料是溫度介導(dǎo)行為的典型聚合物，基于材料的內(nèi)在轉(zhuǎn)變溫度。利用形狀記憶聚合物的常規(guī)性質(zhì)，展示了復(fù)雜的折紙式折疊過程。這里打印了一個(gè)永久性折疊的立方體結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)由兩種商業(yè)化的聚合物組成三層疊層。打印完成后，在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度下展開結(jié)構(gòu)，然后冷卻。當(dāng)溫度升高到轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到永久折疊的形狀。這個(gè)方法已經(jīng)被進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)已能夠完成更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的4D打印，如互鎖扣和UPS郵箱的復(fù)制品。這些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求折葉按順序折疊，而不是同時(shí)折疊，以避免在折疊期間發(fā)生空間碰撞。使用具有一定范圍的轉(zhuǎn)變溫度的折葉，可以控制它們?cè)诩訜崞陂g折疊的順序--有最低轉(zhuǎn)變溫度的折葉最先折疊，最高轉(zhuǎn)變溫度的折葉最后折疊。

研究者擴(kuò)展了這一概念，將具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的兩種形狀記憶聚合物和具有多個(gè)轉(zhuǎn)變形狀的打印結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。他們打印出層狀結(jié)構(gòu)。在兩層中分別沉積不同的形狀記憶聚合物的纖維，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為38℃和57℃。為了對(duì)形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行編程，首先將印刷結(jié)構(gòu)加熱至～70℃并拉伸至10%應(yīng)變，保持該應(yīng)力，待結(jié)構(gòu)冷卻至約0℃后釋放。不同的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度允許結(jié)構(gòu)根據(jù)施加的溫度形成多種形狀。用簡單的線性條帶展示了該概念，該條帶結(jié)構(gòu)在0℃幾乎是平坦的，并且稍微向具有較低轉(zhuǎn)變溫度的纖維的一面彎曲。在15°C時(shí)，條帶呈現(xiàn)明顯的彎曲，而在30°C時(shí)，彎曲角度進(jìn)一步增大。在60℃以上時(shí)，由于高于兩種纖維的轉(zhuǎn)變溫度，結(jié)構(gòu)回到平坦?fàn)顟B(tài)。一個(gè)更復(fù)雜的例子是昆蟲樣結(jié)構(gòu)，其首先通過雙軸拉伸進(jìn)行編程，然后放在加熱到30℃的水中。37s后，昆蟲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)立體狀態(tài)，再進(jìn)一步加熱至60°C，結(jié)構(gòu)恢復(fù)到永久平坦的形狀。

雖然，我們將關(guān)于熱驅(qū)動(dòng)的討論集中于低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的熱塑性塑料上，但不應(yīng)誤以為熱驅(qū)動(dòng)僅限于這些類型的材料。有許多水凝膠材料表現(xiàn)出溫度敏感性能，它們可以在預(yù)設(shè)計(jì)中被利用并用于生產(chǎn)智能或多功能3D物體。研究者已經(jīng)證明了能夠通過使用熱敏性藻酸鹽聚（N-異丙基丙烯酰胺） 水凝膠做成的3D打印水凝膠閥，來控制水流動(dòng)。雙網(wǎng)絡(luò)型水凝膠，由緊密交聯(lián)的藻酸鹽基質(zhì)和松散交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)組成。10℃下，在打印過程中，網(wǎng)絡(luò)逐漸進(jìn)行光交聯(lián)，然后將完成了的打印結(jié)構(gòu)浸入氯化鈣中，以交聯(lián)藻酸鹽基質(zhì)。在20℃時(shí)，藻酸鹽水凝膠是高度溶脹（溶脹比～9） 狀態(tài)，在閥組件處于打開位置；在60°C時(shí)，水凝膠含水量明顯降低（溶脹比～1），閥組件的驅(qū)動(dòng)臂收縮，關(guān)閉流路。

在類似的研究中，通過打印含有兩種不同水凝膠制劑的復(fù)合材料來證明水凝膠結(jié)構(gòu)的折疊。第一種材料是聚醚類聚氨酯和甲基丙烯酸2-羥乙酯的混合物。第二種制劑是聚醚基聚氨酯和N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM） 的混合物。在這兩種情況下，PEO-PU的質(zhì)量比都為1∶1。PEOPU組分提供打印墨水所需的黏度。為了防止NIPAM在聚合期間分離，加入乙醇作為兩種制劑的溶劑。使用3D打印，將兩種水凝膠沉積在空間限定的區(qū)域中，以制造“折葉”。兩種水凝膠制劑之間的不均勻溶脹導(dǎo)致折葉在室溫下膨脹彎曲，并當(dāng)加熱至60℃時(shí)恢復(fù)成扁平形狀。

之前的實(shí)例，包括藻酸鹽 -聚（NIPAAm）驅(qū)動(dòng)閥和由 PEO-PU、聚 （HEMA） 和聚（NIPAAm）的混合物組成的折葉結(jié)構(gòu)，都顯示了3D打印技術(shù)在制造可形狀轉(zhuǎn)換智能材料中的重要性。其實(shí)，雖然這些材料已被廣泛應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用中，但是組成材料本身并不“智能”，其本身也并不具備這些例子中的功能。然而，通過使用3D打印，將這些材料組合到空間定義的結(jié)構(gòu)中，便可以生產(chǎn)出具有驅(qū)動(dòng)或折疊功能的智能水凝膠結(jié)構(gòu)。雖然這些研究表明，3D打印水凝膠結(jié)構(gòu)中的一些可能的功能，但是它們還不能立即適用于典型的醫(yī)療應(yīng)用中，這是因?yàn)榕R床應(yīng)用使用的材料，需要是醫(yī)用級(jí)聚合物的商品化聚合物。例如，驅(qū)動(dòng)閥和折葉結(jié)構(gòu)，在加熱至60℃，即遠(yuǎn)高于生理溫度時(shí)，才進(jìn)行形狀轉(zhuǎn)換，并且為防止在聚合期間聚（NIPAAm） 的分離，需在10℃下打印閥，而且要用乙醇作為折葉的溶劑。所以，如何克服這些醫(yī)療應(yīng)用中的挑戰(zhàn)，是這些溫度敏感結(jié)構(gòu)的下一個(gè)研究前沿，并且應(yīng)該將重點(diǎn)放在針對(duì)于臨床應(yīng)用的后續(xù)研究上。

正如我們討論所示，材料科學(xué)和3D打印最近已經(jīng)產(chǎn)生了大量可以對(duì)局部內(nèi)源性和外源性刺激（如溫度變化，離子強(qiáng)度或其他環(huán)境因素）作出響應(yīng)并可逆地和/或不可逆地改變材料的狀態(tài)或形狀的設(shè)計(jì)。雖然“智能”一詞通常被科學(xué)界用來描述這種材料，但應(yīng)該牢記的是這些響應(yīng)并不一定證明這些系統(tǒng)是“智能”的。雖然本文中提到的最新進(jìn)展令人興奮，并且它們可能用于生物醫(yī)學(xué)，但是研究者通常不對(duì)這些新提出的概念進(jìn)行深入的利用和表征的后續(xù)研究。盡管他們聲稱這些概念將對(duì)藥物遞送或再生醫(yī)學(xué)等應(yīng)用有著深遠(yuǎn)影響，但研究工作往往停留在初步的證明階段。部分原因可能是由于目前激烈的學(xué)術(shù)科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境造成的。為了獲得贈(zèng)款資金，科學(xué)家越來越需要在高影響力的期刊上發(fā)表論著。然而，對(duì)以前公布的概念的后續(xù)研究被認(rèn)為沒有足夠的創(chuàng)新性，所以其難以被高影響力期刊接收。這又迫使科學(xué)家集中于新的思想創(chuàng)新，而不是將其最初思想邏輯發(fā)展到最終的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

然而，為了轉(zhuǎn)化研究成果，真正應(yīng)用它們來提高當(dāng)前的臨床水平，則需要對(duì)這些基礎(chǔ)的概念進(jìn)行詳細(xì)和復(fù)雜的體外和體內(nèi)研究，來評(píng)估其應(yīng)用、功效和安全性。目前由全球眾多研究團(tuán)體共同開發(fā)的材料，一個(gè)很好的例子是明膠甲基丙烯酰（GelMA），它是明膠的化學(xué)衍生物，可以通過自由基聚合交聯(lián)。2000年，由Van Den Bulcke等人最初合成并進(jìn)行流變學(xué)表征，該材料后來被鑒定為具有細(xì)胞相容性和細(xì)胞指導(dǎo)性，此后三維細(xì)胞培養(yǎng)模型和支架快速發(fā)展。迄今為止盡管該材料仍處于研究狀態(tài)，但GelMA和GelMA復(fù)合材料的應(yīng)用非常廣泛，從有機(jī)芯片到功能性血管網(wǎng)絡(luò)的組織工程，關(guān)節(jié)軟骨和皮膚，也有越來越多的轉(zhuǎn)化研究發(fā)表出來。因此，我們和其他人正在努力擴(kuò)展GelMA和GelMA復(fù)合材料的醫(yī)用級(jí)，使更多材料應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

3 結(jié)語

開發(fā)和轉(zhuǎn)化3D生物打印的多功能智能材料，如果將其應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)，應(yīng)深入研究相關(guān)跨學(xué)科文獻(xiàn)，并將關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施于打印體系和形態(tài)設(shè)計(jì)中，使得細(xì)胞能夠遷移增殖，并隨后形成血管化組織及重建。