利用可见光数字光投影技术制备的基于蚕丝蛋白的水凝胶的4D生物打印

《Materials Today Chemistry》：4D bioprinting of silkworm sericin-based hydrogels fabricated by digital light projection of visible light

3D打印丝心蛋白-PEGDM生物墨水实现4D形变支架，验证细胞相容性，为动态组织工程提供新方案。

　　这项研究聚焦于一种新型生物墨水的开发，该墨水基于天然蛋白质丝胶（sericin）与聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDM）的结合，用于三维（3D）和四维（4D）生物打印。四维打印技术是指在传统3D打印基础上，通过引入时间维度，使打印结构在特定外部刺激下发生形状变化，从而实现更复杂的动态功能。这项研究的核心目标是利用丝胶的生物相容性与PEGDM的可交联特性，开发出一种适用于生物打印的材料体系，以期在医疗、组织工程等领域取得突破。

丝胶是一种常见的天然蛋白质，通常在丝绸脱胶过程中被视为废弃物。然而，近年来的研究表明，丝胶具有广泛的生物医学应用潜力，包括其良好的生物相容性、低免疫原性、抗菌活性以及抗氧化能力。此外，丝胶还能支持细胞的生长和功能调节，使其成为组织工程和再生医学的理想材料。然而，传统方法在制备丝胶水凝胶支架时存在一定的局限性，例如难以实现高分辨率的微结构设计，以及无法有效模拟天然细胞外基质（ECM）的复杂性。这些缺陷限制了其在动态组织修复中的应用，尤其是在需要结构变化的场景中。

为了克服上述问题，研究团队提出了一种基于光交联的4D生物打印方法。该方法利用数字光处理（DLP）技术，通过精确控制光照参数，使丝胶与PEGDM的复合材料在打印过程中形成具有方向性交联结构的水凝胶支架。这种结构能够响应湿度变化，从而实现形状的动态变形。在实验中，团队通过调整前驱体浓度和打印参数，系统地优化了水凝胶的物理性能，使其在保持良好机械强度的同时，具备优异的生物相容性。

通过将丝胶与PEGDM进行化学修饰，研究人员成功制备出一种具有光交联能力的生物墨水。这种墨水不仅能够用于3D生物打印，还能够通过光交联技术实现4D结构的形成。实验结果表明，使用该生物墨水打印的支架在模拟体内环境后，能够发生显著的形状变化，表现出良好的湿度响应特性。此外，细胞载入的4D生物打印支架在体外测试中显示出良好的细胞存活率和增殖能力，进一步验证了其在生物医学应用中的可行性。

在3D生物打印技术的基础上，4D打印通过引入外部刺激响应机制，使得打印的结构具备动态变化的能力。这一特性对于模拟人体组织的复杂行为至关重要，例如血管的扩张、神经组织的生长和修复等。传统3D打印技术通常只能生成静态结构，而4D打印则能够使结构在特定条件下发生形变，从而更好地满足组织工程的需求。然而，实现这一目标的关键在于如何选择合适的材料体系，并设计出能够响应特定刺激的交联结构。

在本研究中，团队采用了一种基于可见光（405 nm）的光交联策略，以避免紫外线（UV）对细胞DNA的潜在损伤。这一方法不仅提高了生物墨水的安全性，还拓展了其在活体组织中的应用前景。通过DLP技术，研究人员能够精确控制每层结构的交联密度，从而实现不同区域的差异化膨胀行为。这种交联异质性是4D打印结构实现动态形状变化的基础，因为它决定了材料在不同环境下的响应能力。

此外，团队还探讨了该生物墨水在多种应用场景中的潜力。例如，在软体机器人领域，这种材料可以用于制造能够感知环境变化并作出相应反应的柔性组件；在组织工程中，它可用于构建具有复杂几何形状的支架，以支持细胞的三维生长和组织的再生；在医疗设备中，这种材料可以用于开发能够根据生理条件自动调整形态的智能装置。这些应用表明，丝胶与PEGDM的结合不仅具有理论上的创新性，还具备实际应用的广阔前景。

研究团队还对材料的制备过程进行了详细描述。他们从家蚕（*Bombyx mori*）的蚕茧中提取丝胶，并通过化学方法将其转化为丝胶甲基丙烯酸酯（SMA）。同时，他们使用聚乙二醇（PEG）与甲基丙烯酸酐反应，制备出PEGDM。这两种材料的结合使得生物墨水既具备良好的生物相容性，又能够通过光交联技术实现结构的动态变化。通过调整前驱体浓度和打印参数，研究人员能够优化支架的机械性能和形状变化能力，使其更接近天然组织的特性。

实验结果显示，这种新型生物墨水在打印过程中表现出优异的可打印性和机械稳定性。与传统的丝胶水凝胶相比，加入PEGDM后，支架的结构更加均匀，且在湿度变化时能够发生可预测的形态转变。这种转变不仅有助于模拟组织的动态行为，还可能为未来的组织修复和再生提供新的思路。例如，在某些情况下，支架可能需要在特定时间内改变其形状以适应组织的生长需求，或者在受到外界刺激后自动调整其结构以提供更好的支撑作用。

为了进一步验证该生物墨水的性能，研究团队进行了多项测试。他们首先通过扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜分析了支架的微观结构，确认其具有良好的均匀性和多孔性。随后，他们测试了支架在不同湿度条件下的膨胀行为，发现其能够根据环境变化产生不同程度的形变。此外，团队还评估了支架的机械性能，包括其拉伸强度和弹性模量，确保其在实际应用中具备足够的结构稳定性。

在生物相容性方面，研究人员使用了NIH/3T3小鼠成纤维细胞进行体外实验，以验证支架对细胞的友好性。实验结果表明，细胞在支架上能够良好地附着并正常增殖，证明了该材料在生物医学应用中的安全性。这一发现为未来将该支架应用于组织工程和再生医学提供了有力的支持。

综上所述，这项研究为4D生物打印技术的发展提供了新的思路和方法。通过将丝胶与PEGDM结合，研究团队成功开发出一种具有光交联能力的生物墨水，能够在可见光的刺激下实现结构的动态变化。这种材料不仅具备良好的生物相容性，还能够通过调整打印参数来优化其物理性能，从而满足不同应用场景的需求。未来，随着4D打印技术的不断进步，这种基于丝胶的生物墨水有望在医疗、生物工程等领域发挥更大的作用。