| 2022年6月, | |
生物醫學應用的新興4D打印技術 |
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| （Nanowerk聚光燈與3D打印創建靜態對象相比，4D打印係統將時間作為3D打印的第四維:4D打印允許3D打印結構隨時間改變其配置或功能，以響應外部刺激，如溫度，光，水，pH值等(閱讀更多關於概念在我們之前的Nanowerk聚光燈） | |
| 4D打印的概念隻有不到10年的曆史(術語是第一個出現的在2013年的TED演講中介紹)，但研究人員已經展示了廣泛的應用:4 d複合印刷這改進了無人機的翅膀，4D打印與結構顏色或者擴展4D打印到納米光子學，隻是舉幾個例子。 | |
| 盡管4D打印被認為在各種生物醫學應用中非常有前途——如組織支架、神經支架、移植物和支架、心髒補丁和瓣膜，甚至仿生結構——但由於可打印智能材料的顯著局限性和當前刺激來源可能實現的反應的簡單性，其在臨床和組織工程用途上的廣泛采用變得複雜。 | |
| 最近的一篇評論文章先進材料（新一代組織再生和醫療設備的4D打印策略)首先概述了4D打印領域的概況，特別是4D打印技術，在這些技術中使用的聚合物材料，以及4D形狀變形過程的設計(滾動、壓縮、扭轉、拉伸和折疊)。作者隨後總結了近年來在4D打印生物醫學支架/結構和設備方麵的代表性研究——血管組織和支架、心髒補丁和瓣膜、大腦結構、神經支架和導管、骨支架、肌肉支架和氣管植入物。 | |
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| 4D打印的製造工藝主要是基於現有的3D打印技術。4D打印的分類可以根據刺激源進行分類，包括內部刺激和外部刺激兩大類，以及內刺激、磁刺激、光刺激、熱刺激和化學刺激五大類下的子類型。(轉載經Wiley-VCH Verlag授權) | |
| 如前所述，研究人員使用了不同的刺激響應機製來觸發4D打印建築，包括溫度、化學感應、光、磁和多種刺激源。 | |
| 一般來說，最常見的用於實現4D效應的刺激是外部的:化學、熱、光和磁性。內部刺激通常隻指內力引發的形狀變形，在材料製造過程中包含“應力鬆弛”現象。作者詳細討論了這些不同的刺激反應機製。 | |
| 在邁向高度個性化醫療的道路上，特別是再生醫學，它有潛力通過愈合或替換受損的組織或器官來徹底改變傳統的治療策略。在這種背景下，3D和4D打印是一種創新的生物製造方法，可以用來模擬活組織的各種動態過程，可以促進複雜組織/醫療產品的製造，這些組織/醫療產品可以對複雜的生物信號(如生物電氣或生化信號)的刺激做出反應。 | |
| 由於4D打印能夠生成具有獨特自變形能力的結構，它可能比3D打印提供更有利的製造方法，因為4D結構可以對內部和/或外部刺激作出反應。4D打印為生物醫學設備的製造提供的獨特優勢包括但不限於 | |
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| 組織再生的4D打印示意圖。A)最常用的4D打印技術:FDM或DIW、SLA和DLP。B)生物材料和生物墨水策略在組織/器官再生中的應用。C)外部刺激觸發打印支架的4D轉化過程。(轉載經Wiley-VCH Verlag授權) | |
| 動態組織支架的製作過程包括使用和放置4D墨水溶液、生物材料的細絲或幾種生物材料的混合物，這些材料或直接將所需的細胞與生長因子封裝在一起(或加載細胞後打印)。 | |
| 打印組織支架一般有兩種類型，即:cell-laden支架和梗塞部位支架。細胞負載支架是由生物相容性材料和細胞組成的生物墨水同時沉積而成的。最常用的生物墨水材料包括明膠、膠原蛋白、膠質、藻酸鹽、透明質酸(HA)、脫細胞細胞外基質(dECMs)和它們的(甲基)丙烯酸衍生物。細胞種子支架很容易生產，因為打印的結構隻需要簡單地打印、清洗，然後局部使用細胞源和/或生長因子。 | |
| 血管移植和支架 | |
| 血管再生和血管支架代表了4D打印結構的第一個生物學相關應用，因為它們的管狀結構很容易通過4D滾動或拉伸過程獲得。除了血管，人體內還存在各種管狀結構，包括肌肉纖維、神經束和肌腱等組織。 | |
| 心髒補片和瓣膜 | |
| 與血管移植物或支架多為管狀結構不同，心髒支架/貼片必須實現彎曲和對齊的結構，才能有效地附著在心髒表麵，修複受傷的心肌組織。與用於心血管再生的3D打印相比，4D打印可以製造與生理相關的曲麵，並結合動態機械刺激。 | |
| 仿生的大腦結構 | |
| 通過使用特定的軟件和硬件，將診斷成像研究(如計算機斷層掃描和磁共振成像)中呈現的患者特定的幾何圖形轉換為STL文件(STL文件已成為3D打印事實上的標準數據傳輸格式)，3D打印幫助開發了臨床設置中的個性化腦血管3D打印模型。 | |
| 相對於3D打印，4D打印在以時空變化的方式複製原生複雜組織的發育方麵具有巨大的潛力。例如，大腦的大腦皮層折疊過程可以通過4D生物打印來模擬。 | |
| 腦組織4D打印的另一個應用是在大腦結構的褶皺表麵實現均勻的細胞分布。 | |
| 神經支架和導管 | |
| 神經再生是一種複雜的、人們知之甚少的生物現象。由於缺損間隙大的神經損傷極大地限製了再生能力，通常需要進行神經移植手術。近年來，人工神經移植已成為修複周圍神經損傷或脊髓損傷最有前途的方法之一。神經導管、神經芯片和神經貼片的3D打印技術已經被廣泛研究，為神經損傷提供新的治療方法。 | |
| 4D打印神經支架的最新發展說明了4D打印在神經組織工程中的獨特特性，如動態自擾動和無縫集成。 | |
| 骨再生 | |
| 骨修複是3D打印技術在組織工程領域最早的應用之一。而4D打印骨支架具有可重構能力，便於微創手術植入，對不規則骨缺損具有完美的形狀擬合等顯著優勢。 | |
| 肌肉組織再生 | |
| 骨骼肌是人體最豐富的組織之一，約占體重的45%。3D打印已經成為一種很有前途的技術，它可以製造具有異質結構和力學性能的工程化肌肉組織。然而，它缺乏動態機械信號，如拉伸或折疊，以產生肌源性排列和功能成熟。因此，4D打印已經成為解決這一問題的一種很有前途的方法。 | |
| 氣管修複 | |
| 氣管(氣管)是一根連接喉部和肺部支氣管的軟骨管，使空氣得以通過。氣管周圍有16-20個c形透明軟骨環，由氣管肌肉連接。4D打印氣管的生成是另一個重要的應用，因為它可以折疊成c形環。研究人員已經證明了4D打印在氣管再生中的良好治療效果。 | |
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| 用NEST3D技術創建的一個微小而複雜的生物醫學結構，允許3D打印結構，直徑隻有200微米。閱讀更多．(圖片:皇家墨爾本理工大學) | |
| 使用4D打印或其他技術生產的生物製品和醫療器械受到美國FDA等監管機構的監管。隨著生物醫學應用3D打印技術的發展，監管要求促使FDA創建了一個工作組，以評估關於醫療設備3D打印的技術和監管考慮。 | |
| 到目前為止，還沒有fda批準的生物醫學4D產品。 | |
| 通過邁克爾伯傑- - - - - -邁克爾是皇家化學學會出版的三本書的作者: 納米社會:推動技術的邊界， 納米技術:未來是微小的, 納米工程:使技術隱形的技能和工具 版權© Nanowerk |
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