在組織工程領域， 傳統3D生物打印雖能構建結構復雜的體外組織，卻難以模擬天然組織的動態變化過程。4D生物打印應運而生，其引入“時間”維度，使打印結構能夠在外部刺激（如濕度、溫度等）下發生預設的形狀或功能變化。然而，現有4D打印技術面臨兩大關鍵挑戰：智能生物墨水種類有限以及打印路徑設計復雜，這嚴重限制了其應用范圍。為應對這些挑戰，近期，香港中文大學李中教授和段崇智教授團隊開發了一種新型智能復合水凝膠（MX/GG）。該水凝膠由明膠（Gelatin）、甲基丙烯酰化明膠（GelMA）和二維過渡金屬碳化物（MXene）復合而成，具備優異的可打印性、形狀變形能力和細胞負載能力。同時，研究團隊提出了一種簡單高效的4D打印策略：通過調控結構中不同形變區域的厚度，在單次紫外（UV）光照射后即可于不同空間位置實現差異化的交聯梯度，從而成功實現了濕度驅動的單向和雙向自彎曲動態變形。

相關研究成果以“Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient”為題已經發表在Wiley創辦的期刊《Advanced Science》上。
 

研究內容：
材料特性： MXene的摻入改變了GG水凝膠的多項性能（圖1）。測試結果表明，MXene的添加增強了GG水凝膠在330–1000 nm波長范圍內的光吸收能力。同時，MX/GG水凝膠的儲能模量和楊氏模量均隨MXene濃度增加而降低。MXene含量的提升還增大了水凝膠的溶脹率，其中含5.0 wt% MXene的MX/GG水凝膠（5.0MX/GG）吸水能力顯著高于含1.0 wt% MXene的樣品（1.0MX/GG）。所有MX/GG水凝膠均呈現多孔結構，且其孔徑與孔隙率在較高MXene負載量下均有所增大。此外，MXene作為一種具有優異導電性的二維納米材料，其引入顯著提高了復合水凝膠的電導率。綜合以上結果，證實了MX/GG水凝膠具有良好的光吸收性能、高孔隙率以及優異的導電性。
 

厚度調制的彎曲行為：為探究 MX/GG 水凝膠作為 4D 打印墨水的潛力，將 MX/GG 水凝膠（1.0 mg/ml MXene濃度）打印成厚度從 0.25 mm 梯度增加至 1.0 mm的條帶（圖 3）。浸入去離子水后，不同厚度的條帶表現出截然不同的彎曲程度。值得注意的是，厚度為 0.25 mm 和 0.5 mm 的條帶其自彎曲方向與 0.75 mm 和 1.0 mm 厚條帶相反。橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及機械性能梯度分析證實了材料內部存在微觀結構梯度，以及彈性模量的漸變分布，表明H-XLR和L-XLR的形成。分析表明，不同厚度條帶中 L-XLR 與 H-XLR 的相對體積存在差異，因此水刺激誘導的彎曲方向取決于條帶結構中 L-XLR 與 H-XLR 的體積比例。為驗證這一由 H-XLR/L-XLR比例驅動的彎曲機制，ABAQUS 有限元分析（FEA）軟件被用于模擬不同比例下條帶的自變形行為，模擬結果與實驗觀測高度吻合。這些實驗與模擬結果共同表明，僅通過調整條帶厚度，在單次 UV 曝光條件下即可實現其多向彎曲。這種基于厚度調控的便捷方法為高效 4D 打印復雜曲面結構提供了新途徑。
 

4D打印復雜單向與雙向形變結構體： 基于實驗和FEA結果，我們建立了MX/GG智能水凝膠的4D打印工作流程。隨后，通過打印均勻厚度的平面圖案，成功制備了具有單向彎曲特性的復雜結構，包括三臂夾持器、四臂夾持器和五瓣花朵結構（圖4）。然而，天然組織通常展現出具有多向曲率的復雜形狀變形。為展示該策略的多功能性，我們通過編碼具有不同厚度的多個變形域，打印了一系列仿生結構。這些結構在單次UV曝光下形成獨特的網絡梯度，實現了一系列雙曲率結構，包括珊瑚蟲狀結構、千足蟲狀結構、蟹狀結構和蝎子狀結構 （圖5）。這些發現證明，該4D打印策略能夠有效將軟生物材料編程為復雜的動態架構，實現水刺激下的雙向自彎曲，從而克服了傳統制造的難題。
 

生物應用驗證： 作為概念驗證，我們采用4D生物打印技術制備了負載神經細胞（PC12細胞）和人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的自彎曲條帶結構（圖6）。負載PC12細胞的條帶在培養基中自發彎曲形成3D曲面結構，細胞在其中均勻分布。經過7天和14天的分化培養，PC12細胞展現出漸進性的神經突生長，其長度和分支密度顯著增加。這一結果證實了該水凝膠優異的4D生物打印適用性及其支持神經細胞分化的潛力，為構建可編程自折疊的神經化組織提供了可能。此外，研究團隊探索了利用HUVEC細胞模型構建動態血管化組織的可行性。在14天的培養期內，負載HUVECs的水凝膠條帶維持一定的曲率。免疫熒光染色結果顯示，細胞形態由圓形逐漸轉變為鋪展狀態，并伴隨VE-cadherin表達上調；細胞最終自組裝形成血管樣網絡結構，充分凸顯了MX/GG水凝膠在模擬血管組織形態發生方面的潛力。
 

研究總結：
本研究創新性地結合簡易的厚度調制與MXene納米片獨特的UV吸收效應，在單一復合水凝膠材料（MX/GG） 體系內，通過單步UV曝光實現了可編程梯度交聯網絡的構筑。這一簡便有效的策略成功規避了傳統4D打印對多材料體系或復雜后處理步驟的依賴，顯著簡化了工藝流程，提升了制造效率與可擴展性。通過控制厚度以控制局部交聯密度分布，該技術能夠驅動水凝膠結構實現復雜的單向及雙向自彎曲變形，在模擬天然生物系統固有的多向、多尺度曲率演變方面展現出明顯優勢。本研究所開發的簡便、高效4D生物打印平臺，為再生醫學領域提供了強有力的新工具，有望廣泛用于構建具有仿生動態特性的可編程組織工程支架，例如神經導管和血管支架等。

通訊作者信息簡介：
李中（通訊作者）：香港中文大學生物醫學工程學系Vice-Chancellor Assistant Professor，InnoHK CNRM（香港科學園神經肌肉骨骼再生醫學中心）研究員，港中大生物醫學學院、組織工程與再生醫學研究所、洪克協痛癥研究所、消化疾病研究國家重點實驗室、再生醫學教育部重點實驗室（港中大-暨南大學）成員。獲工學學士（華南理工大學）、工學博士（新加坡南洋理工大學，NTU）學位，曾任美國匹茲堡大學醫學院骨科系博士后、匹茲堡大學醫學院神經生物學系研究助理教授。專注于骨科類器官、器官芯片與再生醫學研究。已發表SCI 論文80 余篇，H 因子30。獲Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) Young Investigator Award、美國骨科研究學會ORS 3Rs Award 等獎項。

課題組主頁：https://lilabcuhk.com/

段崇智（通訊作者）：香港中文大學校利國偉利易海倫組織工程學及再生醫學教授、第八任校長，曾任港中大組織工程學及再生醫學研究所首任所長。他的研究領域包括細胞和發育生物學、干細胞、生物材料、組織工程、再生醫學、3D打印、以及器官芯片和類器官技術。段教授獲推選為中國發明協會（CAI）首屆會士，美國國家發明家學會（NAI）會士，美國解剖學家協會（AAA）會士，美國骨科研究學會（ORS）會士，美國醫學與生物工程學會（AIMBE）會士，國際聯合骨科研究學會（ICORS）會士，及國際組織工程與再生醫學學會（TERMIS）會士，以表揚他藉創新和轉化研究造福社會的貢獻。

原文信息:
J. Lai, Z.A. Li, et al. Facile Single-nanocomposite 4D Bioprinting of Dynamic Hydrogel Constructs with Thickness-Controlled Gradient. Adv. Sci. (2025) e09449.
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202509449
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202509449

相關工作：
相關文獻
J. Lai, Z.A. Li, et al. 4D Bioprinting of Programmed Dynamic Tissues, Bioact. Mater. (2024) 37:348-377

(責任編輯：admin)

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