4D生物打印的应用案例

4D 生物打印的应用案例

1. 皮肤再生

皮肤是人体最大的器官，具有保护、调节温度和水分蒸发等功能。皮肤损伤需要修复，而传统的修复方法存在局限性。4D 生物打印技术可以制造出具有动态变化能力的皮肤组织，为皮肤再生提供新的解决方案。

动态皮肤替代品：4D 生物打印可以制造出可以根据伤口形状进行形状变化的皮肤组织，例如具有特定形状的皱纹或具有特定功能的传感器。这些组织可以更好地与伤口融合，加速皮肤修复，并减少疤痕形成。

自愈合皮肤: 通过将智能材料和细胞结合，可以制造出具有自愈合能力的皮肤组织。例如，研究人员开发了一种基于聚乳酸的智能材料，可以吸收伤口渗出物并释放生长因子，促进皮肤再生。

2. 骨骼再生

骨骼是人体的重要结构，负责支撑身体、保护内脏和进行钙储存。骨折和骨缺损需要修复，而传统的修复方法存在局限性。4D 生物打印技术可以制造出可以根据骨骼形状进行形状变化的骨骼组织，为骨骼再生提供新的解决方案。

动态骨骼支架: 通过使用可编程形状记忆聚合物，可以制造出可以根据骨缺损形状进行形状变化的骨骼支架。例如，研究人员利用冷冻 4D 打印技术可以将黑磷纳米片/磷酸钙/聚(D, L-乳酸-co-三甲碳酸)复合物打印成动态骨骼支架，可以在近红外辐射下改变形状，以实现与大鼠颅骨缺损的紧凑整合。

骨引导组织: 通过将智能材料和细胞结合，可以制造出可以引导细胞迁移和增殖的组织。例如，研究人员开发了一种基于胶原的智能材料，可以释放骨形态发生蛋白，促进骨骼再生。

3. 软骨再生

软骨是人体的重要组织，负责缓冲压力、减少摩擦和提供关节的灵活性。软骨损伤难以修复，而传统的修复方法存在局限性。4D 生物打印技术可以制造出具有自弯曲能力的软骨组织，为软骨再生提供新的解决方案。

自弯曲软骨支架: 通过使用可编程形状变形水凝胶，可以制造出可以根据软骨组织的结构和功能需求进行形状变化的软骨支架。例如，研究人员使用数字光处理技术将成软骨细胞和鼻窦来源的间充质干细胞打印成双层支架，可以在水的作用下折叠成管状结构。

软骨引导组织: 通过将智能材料和细胞结合，可以制造出可以引导细胞迁移和分化为软骨细胞的组织。例如，研究人员开发了一种基于透明质酸的智能材料，可以释放生长因子，促进软骨再生。

4. 血管再生

血管是人体的重要结构，负责输送氧气和营养物质，并清除废物。血管损伤难以修复，而传统的修复方法存在局限性。4D 生物打印技术可以制造出可以根据血管的直径和结构进行精确打印的血管组织，为血管再生提供新的解决方案。

自弯曲血管支架: 通过使用可编程形状变形水凝胶，可以制造出可以根据血管的直径和结构进行形状变化的血管支架。例如，研究人员使用微挤出生物打印技术将海藻酸盐或羟基乙酸甲酯打印成薄膜，可以在水的作用下折叠成小管状结构，其直径与人体中最小的血管相当。

血管引导组织: 通过将智能材料和细胞结合，可以制造出可以引导细胞迁移和增殖为血管细胞组织的组织。例如，研究人员开发了一种基于胶原蛋白的智能材料，可以释放血管生成因子，促进血管再生。

5. 其他组织

4D 生物打印技术可以应用于制造其他动态组织，例如：

心脏组织: 制造具有动态特征的心脏组织，例如可以模拟心脏跳动的心肌细胞组织。

肌肉组织: 制造多层次的肌肉支架，可以引导细胞的排列方向，模拟天然肌肉组织的结构。

其他组织: 制造其他动态组织，例如肝脏组织、肾脏组织等。

总结

4D 生物打印技术在构建动态组织方面具有巨大的潜力，可以应用于治疗各种疾病，例如皮肤损伤、骨折、软骨损伤、血管损伤等。随着技术的不断发展，4D 生物打印技术将会为组织工程和再生医学带来革命性的变化，为人类健康带来新的希望。

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.