吕坚院士团队：多材料3D、4D生物打印异质结构用于组织工程

| 3DScienceValley · 2023/10/29

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增材制造(AM)基于离散材料逐层成型和堆叠的原理，在制造用于组织工程(TE)的复杂植入物方面已显示出显着的优势。然而，许多天然组织表现出具有不同成分和功能的各向异性异质结构。目前，多材料3D和4D生物打印（以时间为第四维）已成为构建具有异质结构的多功能植入物的有前途的解决方案，特别是具有仿生异质结构的4D打印多材料植入物可以提供依赖于时间的可编程动态微环境，可以促进细胞活动和组织再生以响应外部刺激。

近日，来自香港城市大学的吕坚院士团队首先介绍了组织工程应用中仿生异构结构的典型设计策略，讨论了异质组织结构的多材料3D和4D生物打印的最新工艺及其优点和挑战（图1）。此外，本综述还深入探讨了多材料3D和4D生物打印如何促进下一代TE应用的实现。

相关综述论文以“Multi-Material 3D and 4D Bioprinting of Heterogeneous Constructs for Tissue Engineering”为题于发表在《Advanced Materials》期刊上。

组织工程异质结构的设计

天然组织是复杂的、多尺度的结构，即使在单一组织类型内也表现出显着的异质性。这些组织协作执行广泛的生物功能，包括机械支持、物质交换、营养运输、力或电信号传输、和新陈代谢。作者首先从结构和功能方面研究天然组织的异质性，突出了几种典型组织和器官的特征，以说明组织异质性的程度并确定仿生制造的关键要求。

图1 用于组织工程的异质结构的多材料3D和4D生物打印

在组织工程领域，已经建立了多种方法来制备能够促进生物功能再生的构建体。这些方法可以分为自上而下和自下而上的方法。适当方法的选择取决于目标组织的要求，包括细胞复杂性、形态异质性和功能需求等因素。图2显示了自上而下和自下而上的组织工程策略的比较。

自上而下或自下而上方法的选择取决于组织工程应用和最终构造的所需属性。在某些情况下，可以混合使用自上而下和自下而上的技术来实现目标属性。例如，自下而上方法精确控制复杂细胞微环境的能力可以与自上而下方法生成分层结构和大型构建体的能力相结合。随着理论和技术的进步，可以预见这些方法的进一步整合，产生更复杂和更实用的结构。总体目标仍然是可靠、高效地制造用于再生医学、疾病建模和药物测试的各种组织。

图2 组织工程异质组织构建策略

组织工程的多材料3D生物打印技术

如上一节所述，天然组织通常表现出具有不同成分和功能的各向异性异质结构。因此，已经提出了异质组织构建体的各种有效设计策略，以忠实地复制天然组织的复杂构建体。通过先进制造技术弥合前端生物材料和异质结构设计与后端生物功能重建和临床应用之间的差距仍然是TE领域的研究热点。本节讨论组织工程异质植入物多材料3D生物打印领域的研究进展，以及相关的优势和挑战，为潜在突破和临床应用提供了见解和前景。

图3 通常用于制造TE应用异质结构的不同多材料3D生物打印技术的分类和示意图

该部分涵盖了多材料3D生物打印技术的大类和子类，这些技术已广泛用于TE支架的制造（图3）。主要分为以下六类：

(i）多材料挤出打印，包括单喷嘴挤出、多喷嘴挤出、同轴挤出和嵌入式挤出生物打印；

(ii)多材料喷墨打印，包括多喷头喷墨和单喷头喷墨；
(ⅲ)多材料激光诱导正向转移(LIFT)；
(ⅳ)多材料光聚合，如多槽光聚合、多喷嘴顺序注射、多波长光聚合、注射连续液体界面生产(iCLIP)和多材料体积增材制造(VAM)；
(ⅴ)多材料混合3D生物打印；
(ⅵ)多材料体内3D生物打印，包括侵入性和非侵入性方法；

作者集中讨论了上述多材料3D生物打印技术用于构建TE的各种异质结构的优点和局限性，结合文献实例对其各部分进行了详细的介绍，并总结了用于制造TE应用异构结构的不同多材料3D打印技术的总结（表1）。

表1 用于制造组织工程应用异构结构的不同多材料3D打印技术的总结（部分）

组织工程的新兴多材料4D生物打印策略

作者首先对4D生物打印进行了简单介绍，即3D打印物体的形状、属性或功能可以通过编程来随着时间的推移而变化以响应外部刺激。因此，4D生物打印最近被应用于制造智能组织和器官支架，并成为TE领域的研究热点。此外，还利用了湿度、温度、pH、光和磁场等各种类型的刺激。通过控制刺激反应，4D生物打印可以赋予通过传统制造技术无法轻易获得的功能。

近年来，研究者致力于开发4D打印材料，其中研究最广泛的 4D 打印智能材料是形状记忆聚合物(SMP)和液晶弹性体。随着4D打印和TE技术的进步，4D生物打印生物材料（合金、聚合物、陶瓷及其复合材料，图4）也已被报道，作者在本节重点讨论了各种4D生物打印生物材料的最新进展，并将其总结在表2中。

图4 用于4D生物打印的生物材料

表2 4D生物打印常用的不同生物材料（部分）

此外，刺激对于4D打印物体实现形状变形或功能转变至关重要。迄今为止，已经探索了4D打印技术的各种刺激策略，例如涉及液体、热、磁、光、电和超声波的刺激策略。然而，并非所有这些刺激策略都适合TE。对于工程应用来说，刺激策略可以分为两类，即侵入式和非侵入式方法（图5）。本次讨论中，作者关注的重点是骨组织和内脏器官，而不是体表皮肤组织等特殊情况。

图5 4D 打印组织结构的潜在刺激策略

多材料3D和4D生物打印的应用

人体组织表现出具有不同成分和功能的各向异性异质结构。因此，使用单一材料创建模仿人体组织的复杂结构具有挑战性，甚至是不现实的。多材料3D和4D生物打印技术在创建具有多功能集成的异质结构方面表现出了显着的优势。因此，多材料3D和4D生物打印方法已广泛应用于TE领域，例如组织制造（图6）、血管网络（图7）、类器官（图8a-c）和肿瘤模型（图8d-g）。

图6 用于组织制造的多材料3D和4D生物打印