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  增材制造（又稱3D打印）技術(shù)革新了許多材料的傳統(tǒng)制造方法，在構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組織工程（TE）植入物方面優(yōu)勢顯著。尤其是，新興的“3D打印+時間”（即4D打印）技術(shù)能夠響應(yīng)外界特定的刺激改變自身形狀、屬性或功能，以適應(yīng)組織和器官復(fù)雜的動態(tài)微環(huán)境（如溫度、pH、酶和電位等）。然而，許多天然組織表現(xiàn)出各向異性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有多樣的成分和功能，這使得基于單一材料的3D或4D生物打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)具有極大的挑戰(zhàn)性。多材料3D和4D打印技術(shù)能夠構(gòu)件復(fù)雜異質(zhì)層級結(jié)構(gòu)的多生物功能植入物，比單一材料方法更好地復(fù)制宿主微環(huán)境，為開發(fā)下一代新型TE支架開辟了新途徑。然而，多材料3D和4D打印技術(shù)能力與組織工程應(yīng)用需求之間存在巨大差距。

  鑒于此，香港城市大學(xué)呂堅教授團隊就異質(zhì)結(jié)構(gòu)植入物3D和4D生物打印策略的優(yōu)點、局限性等進行了系統(tǒng)討論。該工作以“Multi-Material 3D and 4D Bioprinting of Heterogeneous Constructs for Tissue Engineering”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是香港城市大學(xué)陳安南博士、王婉瑩博士研究生和毛正義博士，通訊作者是呂堅教授。

圖1. 圖文摘要

1、仿生TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計策略

  在TE領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展出了多種方法來制備能夠促進生物功能再生的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些方法可以分為自頂向下和自底向上兩種方法。選擇適當?shù)姆椒ㄈQ于目標組織的要求，包括細胞復(fù)雜性、形態(tài)異質(zhì)性和功能需求等因素。圖2顯示了自頂向下和自底向上兩種典型的TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。這兩種設(shè)計策略可指導(dǎo)多材料3D和4D生物打印技術(shù)通過精確控制不同生物材料、細胞和生化因素的空間模式，以在宏觀和微觀尺度上模擬原生組織的結(jié)構(gòu)與功能異質(zhì)性。

圖2. TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計策略（a）自頂向下與（b）自底向上

2、用于TE的多材料3D生物打印技術(shù)

  本文將異質(zhì)結(jié)構(gòu)多材料生物3D打印技術(shù)最新研究進展進行回顧與分類（圖3）：（�。┒嗖牧蠑D出打印，包括單噴嘴擠出、多噴嘴擠出、同軸擠出和嵌入式擠出生物打印；（ⅱ）多材料噴墨打印，包括多噴嘴噴墨和單噴嘴噴墨；（ⅲ）多材料激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移；（ⅳ）多材料光聚合，包括多缸光聚合、多噴嘴順序注射、多波長光聚合、注射連續(xù)液界面生產(chǎn)和多材料體積增材制造；（ⅴ）多材料混合生物3D打��；（ⅵ）多材料生物體內(nèi)3D打印，包括侵入性和非侵入性方法。他們討論了上述多材料3D生物打印技術(shù)用于構(gòu)建TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。

圖3. TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)多材料生物3D打印技術(shù)的分類和原理圖

3、新興的TE多材料4D生物打印策略

  在4D打印TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，誘導(dǎo)細胞水平的形狀/性能/功能變化，并重塑其生理微環(huán)境的策略至關(guān)重要。本綜述從TE異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用角度，創(chuàng)新地將生物4D打印誘導(dǎo)策略分為侵入式和非侵入式兩大類，并討論了其誘導(dǎo)仿生組織和器官特定動態(tài)微環(huán)境的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，為研究人員更好地理解和模擬人體內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能提供了一個平臺。

4、多材料3D和4D生物打印的TE應(yīng)用

  多材料3D和4D生物打印技術(shù)在創(chuàng)建具有多功能集成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)方面具有突出的優(yōu)勢，可以更真實地再造人體組織。因此，多材料3D和4D生物打印方法已廣泛應(yīng)用于TE領(lǐng)域，例如組織制造、血管網(wǎng)絡(luò)、類器官和腫瘤模型。綜上，多材料3D和4D生物打印技術(shù)在組織工程領(lǐng)域已表現(xiàn)出巨大的潛力。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307686

呂堅教授研究團隊介紹：

  呂堅院士團隊依托國家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心、香港城市大學(xué)先進結(jié)構(gòu)材料研究中心和沈陽材料科學(xué)國家研究中心大灣區(qū)研究部等國家及省部級平臺，長期從事先進納米材料制備與力學(xué)性能， 3D/4D 打印，結(jié)構(gòu)與功能材料預(yù)應(yīng)力工程等方面的研究工作，相關(guān)成果在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Advanced Materials、Nature Communications、Science Advances等專業(yè)期刊上發(fā)表論文450余篇，引用4萬余次，已取得70余項歐、美、中授權(quán)專利，承擔(dān)國家工程研究中心IT，Croucher Foundation UGC，RGC （CRF, GRF）， 國家重點研究項目MOST，重大項目NSF等50余項。

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