香港城市大学吕坚教授 Adv. Mater.：多材料3D和4D生物打印异质结构用于组织工程

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增材制造（又称3D打印）技术革新了许多材料的传统制造方法，在构建复杂结构的组织工程（TE）植入物方面优势显著。尤其是，新兴的“3D打印+时间”（即4D打印）技术能够响应外界特定的刺激改变自身形状、属性或功能，以适应组织和器官复杂的动态微环境（如温度、pH、酶和电位等）。然而，许多天然组织表现出各向异性的异质结构，具有多样的成分和功能，这使得基于单一材料的3D或4D生物打印技术构建复杂的仿生结构具有极大的挑战性。多材料3D和4D打印技术能够构件复杂异质层级结构的多生物功能植入物，比单一材料方法更好地复制宿主微环境，为开发下一代新型TE支架开辟了新途径。然而，多材料3D和4D打印技术能力与组织工程应用需求之间存在巨大差距。

鉴于此，香港城市大学吕坚教授团队就异质结构植入物3D和4D生物打印策略的优点、局限性等进行了系统讨论。该工作以“Multi-Material 3D and 4D Bioprinting of Heterogeneous Constructs for Tissue Engineering”为题发表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是香港城市大学陈安南博士、王婉莹博士研究生和毛正义博士，通讯作者是吕坚教授。

图1. 图文摘要

1、仿生TE异质结构的典型设计策略

在TE领域，已经发展出了多种方法来制备能够促进生物功能再生的异质结构。这些方法可以分为自顶向下和自底向上两种方法。选择适当的方法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显示了自顶向下和自底向上两种典型的TE异质结构设计策略。这两种设计策略可指导多材料3D和4D生物打印技术通过精确控制不同生物材料、细胞和生化因素的空间模式，以在宏观和微观尺度上模拟原生组织的结构与功能异质性。

图2. TE异质结构设计策略（a）自顶向下与（b）自底向上

2、用于TE的多材料3D生物打印技术

本文将异质结构多材料生物3D打印技术最新研究进展进行回顾与分类（图3）：（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，包括多喷嘴喷墨和单喷嘴喷墨；（ⅲ）多材料激光诱导正向转移；（ⅳ）多材料光聚合，包括多缸光聚合、多喷嘴顺序注射、多波长光聚合、注射连续液界面生产和多材料体积增材制造；（ⅴ）多材料混合生物3D打印；（ⅵ）多材料生物体内3D打印，包括侵入性和非侵入性方法。他们讨论了上述多材料3D生物打印技术用于构建TE异质结构的优势和挑战。

图3. TE异质结构多材料生物3D打印技术的分类和原理图

3、新兴的TE多材料4D生物打印策略

在4D打印TE异质结构中，诱导细胞水平的形状/性能/功能变化，并重塑其生理微环境的策略至关重要。本综述从TE异质结构应用角度，创新地将生物4D打印诱导策略分为侵入式和非侵入式两大类，并讨论了其诱导仿生组织和器官特定动态微环境的优势和挑战，为研究人员更好地理解和模拟人体内部复杂的结构和功能提供了一个平台。

4、多材料3D和4D生物打印的TE应用

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具有突出的优势，可以更真实地再造人体组织。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、血管网络、类器官和肿瘤模型。综上，多材料3D和4D生物打印技术在组织工程领域已表现出巨大的潜力。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307686

吕坚教授研究团队介绍：

吕坚院士团队依托国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心、香港城市大学先进结构材料研究中心和沈阳材料科学国家研究中心大湾区研究部等国家及省部级平台，长期从事先进纳米材料制备与力学性能， 3D/4D 打印，结构与功能材料预应力工程等方面的研究工作，相关成果在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Advanced Materials、Nature Communications、Science Advances等专业期刊上发表论文450余篇，引用4万余次，已取得70余项欧、美、中授权专利，承担国家工程研究中心IT，Croucher Foundation UGC，RGC （CRF, GRF）， 国家重点研究项目MOST，重大项目NSF等50余项。

课题组链接：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

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