综述：四维免疫-力学生物材料：动态材料线索编程宿主反应以预防纤维化并促进再生

《VIEW》：Four-dimensional immuno-mechanobiomaterials: Dynamic material cues that program host response to prevent fibrosis and enable regeneration

　　

异物反应和纤维化仍然是植入式生物材料和再生支架长期成功的主要障碍。传统生物材料通常设计为静态的机械和化学性质，尽管伤口愈合和免疫激活具有高度动态性。在此，研究人员定义并批判性地审视了“四维（4D）免疫-力学生物材料”：时间编程或刺激响应材料，其演变的物理性质、降解行为和生物活性呈递被设计用于引导免疫-间质动力学远离慢性炎症和纤维化，走向功能性组织再生。研究人员首先总结了当前对先天性和适应性免疫细胞中机械转导（mechanotransduction）的理解及其在纤维化包膜与建设性重塑中的作用。然后，研究人员绘制了4D生物材料的设计空间，包括粘弹性（viscoelastic）和应力松弛（stress-relaxing）网络、动态交联水凝胶（hydrogels）、形状变形和载荷响应支架，以及机械活性或自振荡系统，重点介绍了将随时间变化的材料性质与体内特定宿主反应表型联系起来的案例研究。评估了用于量化跨长度和时间尺度的机械-免疫串扰（mechano-immune crosstalk）的新兴实验和计算工具，以及模型系统和指标的局限性。最后，研究人员讨论了转化和监管挑战，包括时间依赖性性质的制造控制和免疫安全性的临床前评估。研究人员总结了部署4D免疫-力学生物材料以可靠预防临床中生物材料驱动纤维化的设计原则和开放性问题。

1 引言
1.1 生物材料诱导的纤维化和异物反应的临床负担
植入式生物材料是现代医学的核心，从心脏起搏器和血管移植物到神经接口、乳房植入物以及长期药物或细胞封装装置。然而，这些技术普遍存在一种共同的失败模式：慢性、纤维化的异物反应（foreign body response, FBR），它将植入物隔离并逐渐降解其功能。经典的FBR序列始于快速蛋白质吸附，随后是急性炎症、单核细胞和中性粒细胞募集、巨噬细胞粘附和融合形成异物巨细胞，最后是成纤维细胞激活和致密胶原沉积形成纤维包膜。此包膜充当扩散屏障，损害机械整合，并向周围组织传递异常力。临床上，这导致连续血糖监测仪和其他生物传感器灵敏度丧失和漂移，神经电极周围的信号退化和胶质瘢痕形成，乳房植入物周围的包膜挛缩和疼痛，以及细胞封装装置中的物质传输受损。对于许多软组织植入物，成功与否并非由内在装置失效定义，而是由纤维化包膜和慢性炎症的形成决定。初始FBR是伤口愈合和慢性炎症之间的连续体，巨噬细胞和异物巨细胞是纤维包膜的主要驱动因素。新概念将视野扩展到包括先天淋巴样细胞、成纤维细胞亚群和适应性免疫成分，确认FBR是一个复杂的免疫介导过程。在大动物和非人灵长类动物中的研究强调了这一生物学过程，且明确可转化为人类相关性。Doloff等人发现集落刺激因子-1受体（colony-stimulating factor-1 receptor, CSF-1R）信号是FBR的中枢调节因子，在啮齿动物和灵长类动物模型中针对不同植入物化学性质，将巨噬细胞的存活和表型与纤维化反应联系起来。其他研究组报告了不同物种间FBR幅度和质量的显著差异，例如，在与人类相关的模型中，长时间纤维化仍然明显，而在啮齿动物中这些结果被解释为良性。尽管表面化学、药物洗脱涂层和“隐形”方法取得了显著改进，但纤维化屏障的形成仍然是许多植入装置稳定、长期功能的主要障碍。它成为高价值和高风险干预（例如神经接口、胰岛封装和闭环药物递送）的瓶颈，其解决方案需要从描述性知识转向机制性和设计驱动性知识，其中生物材料直接指导免疫-间质串扰转向组织重塑，而不是纤维包膜化。

1.2 从生物惰性材料到免疫指导和力学生物学意识设计
生物相容性过去意味着植入材料的惰性，以最小化与宿主组织的相互作用；然而，当人们普遍认识到所有植入材料都能引发宿主生物学反应（由材料的化学性质、拓扑结构、分解产物、机械性质等决定）时，这一范式发生了根本改变。从研究中产生了一个关于免疫指导或免疫调节生物材料的新概念，即材料设计可以调节巨噬细胞和T细胞的表型，改变细胞因子微环境，并成功愈合伤口。Vishwakarma等人确立了生物材料是免疫功能的主动调节者而非被动基质；成功再生疗法的关键在于操纵免疫-材料串扰。随后，综述文章调查了如何精细调节表面化学、可降解性、拓扑结构和基质等不同材料性质，以介导再生性T辅助2型和调节性T细胞分化，并减少慢性炎症。对植入位点的详细体内表征显示，巨噬细胞可进一步分为细胞亚群。Yang等人表征了这些组织驻留巨噬细胞、2型先天淋巴样细胞和成纤维细胞亚群，它们对FBR中的生化和物理刺激反应不同。具有里程碑意义的免疫工程工作在操纵CSF-1R、整合素信号和免疫检查点方面显示出对包膜厚度和组成的深远影响，即使白细胞募集并未减少。同时，力学生物学（mechanobiology）为细胞如何解释物理环境并相应做出反应提供了新视角。Discher等人的工作表明，细胞能感知并响应基底刚度，实现干细胞谱系特异性分化；后续研究阐明，通过YAP/TAZ的机械转导（mechanotransduction）可将细胞骨架张力和核变形转化为负责纤维化、增殖或静止的基因表达程序。免疫细胞同样具有机械敏感性。最近关于在可调水凝胶上培养人巨噬细胞的研究表明，在软组织范围内（约0.2–5 kPa）增加刚度足以使巨噬细胞向促炎性、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-alpha, TNF-α）高表型转变，即使表面化学保持恒定。补充工作表明，基底粘弹性和应力松弛可调节巨噬细胞形态、吞噬作用和细胞因子分泌，表明时间依赖性力学是先天免疫行为的独立调节因子。总之，这些发现表明，生物材料的免疫“身份”与其机械身份密不可分。如果不考虑刚度、粘弹性、塑性和载荷下变形如何被免疫和基质细胞在愈合和重塑过程中感知，就无法有意义地描述或优化装置或支架。

1.3 为什么时间依赖性力学和动态重塑很重要？
大多数生物材料设计仍将力学视为静态属性：在t=0时测量的弹性模量用于标记材料为软或硬。相比之下，天然组织是粘弹性、主动重塑的系统，其机械性质在伤口愈合和疾病过程中发生剧烈演变。早期肉芽组织柔软且高度耗散；随着肌成纤维细胞沉积和交联胶原，刚度可增加数个数量级，松弛时间变长。在纤维化器官如肝脏或肺中，组织刚度从亚千帕增加至数十千帕范围。Chaudhuri等人首次开创性地证明了应力松弛（stress relaxation）作为细胞命运的独立控制器——快速松弛的水凝胶，其初始匹配天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）刚度，可改善细胞铺展、增殖和成骨分化，而类似的硬质水凝胶则不能。此后，其他细胞类型被表征，并尝试识别时间历史变化如何影响整合素簇形成、粘着斑组装和细胞骨架动力学。FBR组织通常比软组织更硬且耗散更少。巨噬细胞和成纤维细胞遇到一个异常的空间异质性机械场，该场由进行性纤维化动态调节。即使生理水平内的微小刚度增加也会导致前者铺展、变形其细胞核并产生促炎细胞因子，而较软的基底则触发富含白细胞介素-10（interleukin-10, IL-10）的解决表型。较新的研究表明，粘弹性和应力松弛进一步调节这些表型——一些研究证明，更粘性或更快松弛的基底可减少炎症激活。上述表明，机械刺激的时间过程（而不仅仅是其幅度）可能是植入物整合与慢性纤维化之间的关键。如果来自植入物的最早机械信号是“顺应性、有利于浸润和炎症解决的耗散环境”，随后是硬的、再生性基质沉积，而不是从植入之日起呈现永久性非松弛的硬表面，结果会如何？植入材料通常恰恰相反，如果存在机械刺激，它不会改变，而是通过植入物污染、失效、降解或不受控制的纤维化而发生改变。

4D生物材料和4D生物打印的概念直接针对这一空白，通过明确将时间作为设计变量编码。在4D系统中，材料被编程为响应温度、pH、酶或光等刺激而改变形状、孔隙率、刚度或交联状态，从而在植入后实现机械和结构性质的受控演变。最近的系统综述突出了4D生物材料的广泛领域，从热响应水凝胶和形状记忆聚合物到在体内经历程序化形态发生的多响应生物墨水。然而，只有一小部分工作明确将动态行为与免疫和纤维化结果联系起来，留下了重大的知识空白。具有可调粘弹性和刺激响应交联的动态水凝胶说明了这种方法的潜力。已被证明，能够软化、更快松弛应力或顺序改变刚度的材料可增强软骨形成，支持组织特异性分化，并更好地模拟愈合组织的机械微环境。系统性地研究时间编程力学如何调节巨噬细胞极化、成纤维细胞激活、包膜结构和长期FBR的工作仍然稀缺，这代表了合理设计下一代植入物的关键机会。

1.4 本综述的范围和独特定位
需要一份深入、最新且批判性的综合，将三个快速发展的领域联系起来：（1）对FBR和纤维化的机制性理解，包括新兴免疫和基质细胞亚群以及与转化相关的物种特异性差异；（2）将免疫反应偏向于解决和再生而非慢性炎症和瘢痕形成的免疫调节生物材料；（3）时间依赖性力学生物学和4D生物材料，重点关注如何编程和利用演变的刚度、粘弹性和形状变化来控制FBR。在本综述中，生物材料诱导的纤维化被视为一个力学生物学驱动的免疫过程。减轻FBR需要同时控制生化线索和时间分辨的机械信号。目标是：剖析先天性和适应性免疫细胞、成纤维细胞和血管细胞如何感知和响应植入界面的机械和粘弹性线索；批判性评估免疫调节生物材料策略，关注其体内机械行为以及这可能如何解释控制纤维化的成功或失败；提出一个4D免疫-力学生物材料的概念和设计框架：其机械、结构和生化状态被有意编程以随时间演变，引导宿主反应远离纤维化包膜，走向稳定、功能性整合。

2 纤维化和再生的免疫-力学生物学
2.1 伤口愈合和纤维化级联反应概述
急性组织损伤启动一个修复程序，经典分为止血、炎症、增殖和重塑阶段。机械和免疫景观在每个阶段共同演变：血凝块形成、交联形成临时基质，先天和适应性免疫细胞浸润到受限、机械异质性的伤口床，成纤维细胞和内皮细胞重塑逐渐更多交联、承载负荷的瘢痕。损伤后立即，血小板和凝血因子形成纤维蛋白-纤连蛋白-血管性血友病因子的血凝块，既封闭缺损，又充当柔软、粘弹性的支架。这一临时基质通过纤维蛋白交联和细胞牵引迅速改变其机械性质，产生非均匀的应变场和刚度梯度。这些物理变化通过整合素连接、细胞骨架张力和机械敏感性离子通道直接调节白细胞募集、巨噬细胞活化和成纤维细胞行为。炎症阶段以中性粒细胞、单核细胞和组织驻留巨噬细胞为主。‘M1样’巨噬细胞产生促炎细胞因子、蛋白酶和活性氧（reactive oxygen species, ROS），而‘M2样’或促修复表型分泌生长因子，如转化生长因子-β（transforming growth factor-beta, TGF-β）、血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor, PDGF）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF），促进血管生成和成纤维细胞活化。然而，应注意，M1/M2方案是由体外用特定细胞因子极化得出的操作简化，它不能捕捉巨噬细胞在体内采用的活化状态连续体。对受伤和纤维化组织的转录组分析揭示了更丰富的巨噬细胞状态景观，包括定位于僵硬、胶原密集区域的瘢痕相关巨噬细胞，并与间充质细胞强烈相互作用。在增殖期，成纤维细胞和周细胞来源的肌成纤维细胞成为ECM的主要生产者。单细胞和谱系追踪研究表明，成纤维细胞高度异质性：胚胎起源、解剖位置和局部机械环境共同塑造其对再生与瘢痕形成的贡献。例如，在皮肤中，engrailed-1谱系成纤维细胞和其他促纤维化亚群优先被机械张力和YAP/TAZ信号激活，并在瘢痕中富集，而其他谱系支持更具再生性的愈合。如果炎症有效解决且成纤维细胞活化是短暂的，重塑会产生一个机械上有能力但相对较薄的瘢痕，刚度部分正常化。当解决失败时，成纤维细胞和肌成纤维细胞持续存在，TGF-β和其他促纤维化信号保持升高，ECM积累超过降解，产生致密、僵硬的瘢痕或器官纤维化。持续的机械异常，如升高的基质刚度和改变的粘弹性，将基质和免疫细胞锁定在促纤维化程序中。在植入的生物材料中，一个平行但不同的序列展开：血液-材料相互作用、急性炎症、慢性巨噬细胞主导的炎症，以及以异物巨细胞和胶原包膜为特征的FBR。最近的工作将这一包膜重新定义为巨噬细胞、成纤维细胞和材料-组织界面处演变的机械微环境之间动态串扰的结果。成纤维细胞在FBR模型中长期被低估，其表现出从建设性重塑到侵袭性包膜纤维化的依赖于环境的作用。从4D免疫-力学生物材料的角度来看，这一级联反应可被视为一个时间分辨的免疫-机械轨迹：初始柔软、凝块样的微环境，随着炎症和基质细胞沉积和重塑ECM而变硬并变得更各向异性，同时免疫细胞表型和成纤维细胞亚群被不断变化的机械线索重新塑造。合理的生物材料设计必须考虑初始材料性质以及这些性质将如何被重塑，并反馈到免疫-纤维化程序上。

2.2 力学与先天免疫
先天免疫细胞具有很强的机械敏感性。巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞和先天淋巴样细胞经历诸如血液和淋巴管中的剪切应力、实质组织中的压缩和拉伸，以及伤口床和包膜周围区域的刚度和粘弹性梯度等力。这些力通过整合素、肌动蛋白细胞骨架、包括Piezo1和TRPV4的机械敏感性离子通道以及核机械转导因子（如YAP/TAZ和MRTF-A）进行感知。巨噬细胞是最佳表征的例子。最近的综述描述了一个机械-免疫轴，其中基底刚度、拓扑结构和粘弹性偏向巨噬细胞极化、代谢和效应器功能。在坚硬、弹性的基底上，巨噬细胞倾向于铺展、形成成熟粘着斑并上调促炎或促纤维化程序，而较软的基底偏向于更具促解决的表型。除了刚度，可调粘弹性水凝胶已显示，在相当的弹性模量下，培养在更粘性基底上的巨噬细胞变得更小、更圆，并表现出降低的吞噬能力。这表明应力松弛和时间依赖性能量耗散是塑造巨噬细胞形态和细胞骨架动力学的独立机械信号。与此一致，单细胞和多组学分析现在将巨噬细胞解析为一系列依赖于环境的定义状态，这些状态难以映射到二元的M1/M2轴上，包括在僵硬、胶原密集的纤维化生态位中积累的脂质相关和TREM2+/CD9+群体。同样，对植入位点的详细表征指向FBR中超越经典M1/M2观点的新兴巨噬细胞亚群，表明表型由局部生化和机械环境而非固定二分法决定。因此，表征时间变化力学如何重塑这些亚群之间的平衡（而非单一的M1到M2转换）对于合理的4D设计至关重要。在复杂的纤维化微环境中，基质硬化、拉伸应变和改变的剪切应力汇聚于机械感受器，包括整合素、FAK/Src、RhoA–ROCK、Piezo1和TRPV4，以重编程巨噬细胞转录状态。在纤维化器官中，这些途径促进定位于高张力生态位的瘢痕相关巨噬细胞，表达促纤维化介质，如TGF-β、骨桥蛋白、CCL2和CCL24，并直接指导肌成纤维细胞活化。Piezo1介导的机械传感已出现为这些反馈回路的中枢节点。在硬化的皮肤中，成纤维细胞中的Piezo1激活驱动Wnt2/Wnt11信号和CCL24产生，建立一个正反馈回路，其中增加的刚度进一步激活Piezo1并放大炎症和基质沉积。类似的Piezo1驱动的机械转导途径在巨噬细胞和内皮细胞中运作，表明靶向Piezo1的生物材料可调节基质和先天免疫区室。对机械线索的先天感知超越巨噬细胞。树突状细胞根据基底刚度和约束调整抗原摄取和迁移，中性粒细胞在改变的剪切和约束下改变群集和中性粒细胞胞外陷阱形成，自然杀伤（natural killer, NK）细胞在坚硬与柔软靶标上调节细胞毒性。许多这些效应通过相同的核心机制——整合素-FAK信号、肌动蛋白-肌球蛋白收缩性和YAP/TAZ核定位——介导，这些也支配成纤维细胞机械传感。从设计角度来看，这些数据表明，先天免疫指导性生物材料应将刚度、粘弹性和微结构视为主动免疫调节变量。在4D系统中，材料被设计为随时间软化、硬化或改变孔隙率，机械线索的时间序列可以被利用来首先允许有效的清创和病原体清除，然后偏向巨噬细胞和树突状细胞朝向促解决、促再生状态。

2.3 适应性免疫、成纤维细胞和ECM重塑
虽然先天免疫起始并塑造早期纤维化反应，但适应性免疫细胞（特别是T细胞）现在被认为是慢性纤维化和FBR结果的关键调节因子。关于T细胞在纤维化中的综述描述了Th1、Th2、Th17、调节性T细胞、γδ T细胞和细胞毒性CD8+ T细胞在肝、肺、肾、心和皮肤中的器官特异性作用。Th2和Th17谱系倾向于促进成纤维细胞活化和胶原沉积，而Tregs和某些γδ亚群在特定条件下可抑制纤维化。这些作用不限于器官纤维化：适应性免疫越来越被认为是生物材料FBR本身的主动决定因素。对合成聚合物植入物的研究表明，T细胞和其他适应性成分塑造了纤维化反应的幅度和质量，而不仅仅是伴随它。特定亚群也作为控制点出现——例如，调节性T细胞通过CXCL12–CXCR4/CXCR7轴调节植入物周围反应——支持了定义的T细胞亚群直接参与FBR并可被靶向的观点。这些适应性群体嵌入在机械异常的ECM中，该ECM调节T细胞受体信号、运动和效应器功能。僵硬、致密交联的基质限制T细胞迁移，改变免疫突触形成，并可能有利于耗竭或慢性活化表型的持续存在。因此，纤维化中的T细胞失调可部分视为一个机械转导问题，类似于巨噬细胞和成纤维细胞。成纤维细胞位于这一适应性-机械界面的中心。单细胞和谱系追踪工作将成纤维细胞描绘为一个具有不同炎症、免疫和再生作用的区域和谱系特异性亚群家族。胚胎起源和解剖位置强烈预测成纤维细胞驱动瘢痕形成与再生的倾向，而机械环境和免疫串扰进一步调节其行为。在FBR中，与巨噬细胞和材料性质相比，成纤维细胞相对被忽视，但最近的工作有力地证明成纤维细胞是包膜形成的关键参与者。它们响应吸附的蛋白质层、异物巨细胞衍生的介质和材料力学，分化为肌成纤维细胞，围绕植入物排列胶原纤维，并调节包膜厚度和收缩性。在某些情况下，成纤维细胞亚群可能支持更具建设性的重塑，表明靶向成纤维细胞的免疫-力学生物材料可以招募和稳定这些群体。在亚群水平上，形成包膜的区室由COL1A1+/α-SMA+肌成纤维细胞主导，而单细胞和谱系追踪研究越来越多地区分促纤维化成纤维细胞亚群（类似于驱动皮肤瘢痕形成的engrailed-1谱系细胞）与其他支持更具建设性重塑的亚群。解析这些成纤维细胞状态，而不是将成纤维细胞视为均匀群体，对于设计选择性地稳定修复性而非包膜性表型的4D材料至关重要。成纤维细胞机械敏感性由整合素–FAK/Src信号、RhoA–ROCK驱动的肌动蛋白-肌球蛋白收缩性和YAP/TAZ核转位主导。YAP/TAZ整合基质刚度、锚定几何和机械张力以控制增殖、肌成纤维细胞分化和ECM合成，包括胶原、纤连蛋白和交联酶（如赖氨酰氧化酶）的表达。YAP/TAZ阳性成纤维细胞也塑造趋化因子景观和免疫浸润，进一步耦合机械和免疫状态。与上述Piezo1–Wnt–CCL24轴一起，这勾勒出一个以成纤维细胞为中心的机械转导网络，该网络既感知又强化病理力学，对适应性免疫产生直接影响。更硬的基质由YAP/TAZ活性的成纤维细胞驱动，促进瘢痕相关巨噬细胞的积累，并使T细胞群体偏向促纤维化状态，而适应性免疫细胞反过来维持TGF-β和其他线索，使成纤维细胞保持活化。对于4D免疫-力学生物材料，这表明时间编程的机械和生化线索应明确以成纤维细胞–T细胞–巨噬细胞轴为设计目标。一个初始坚硬、承载负荷的支架可能需要软化或变得更粘弹性，因为再生线索占主导地位，既减少YAP/TAZ驱动的成纤维细胞活化，又恢复支持有效、非耗竭T细胞功能的机械环境。

2.4 概念模型：纤维化中的免疫-机械反馈回路
在纤维化文献中，力学和免疫力形成一个自我强化的网络，而非线性级联。最近的几篇综述将纤维化视为一个机械转导-免疫轴的病理吸引子状态，具有四个关键特征。首先，免疫细胞的机械启动：损伤或生物材料植入通过血凝块形成、水肿、组织破坏和异物表面暴露扰动机械稳态。进入这一异常机械生态位的先天免疫细胞经历改变的刚度、粘弹性和约束，通过整合素、细胞骨架张力和机械敏感性通道偏向其活化和效应程序。其次，免疫驱动的机械重塑：活化的巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞和T细胞分泌TGF-β、IL-13、IL-17、PDGF和其他介质，驱动成纤维细胞增殖、肌成纤维细胞分化和ECM沉积。促纤维化成纤维细胞亚群增加胶原和纤连蛋白产生，并上调交联酶，导致基质硬化和各向异性。第三，力学锁定的纤维化记忆：硬化的基质和改变的组织结构维持成纤维细胞机械转导途径，如YAP/TAZ和MRTF-A，使高收缩应力持续存在，并稳定瘢痕相关巨噬细胞和致病性T细胞亚群，即使初始损伤解决后也是如此。第四，器官和环境影响因子：包括血管和淋巴流动模式、ECM组成和基线组织刚度，调节这些反馈回路在不同器官和不同类生物材料周围的表现。在此框架中，纤维化和FBR是耦合的免疫-机械回路的涌现属性。打破纤维化需要破坏回路的两臂：将免疫表型重新编排远离慢性促纤维化状态，并改变机械线索，使成纤维细胞和免疫细胞不再接收强化的僵硬、张力主导信号。四维免疫-力学生物材料处于独特位置来做到这一点，因为它们可以编程时间依赖性力学，以机械响应方式递送免疫调节剂，并利用机械敏感性途径（如YAP/TAZ和Piezo1）作为设计靶点。第3节将直接基于这一概念模型，定义被设计用于将这些反馈回路导向再生而非纤维化或包膜形成的4D免疫-力学生物材料的设计原则和类别。

3 从静态到4D生物材料：宿主反应控制的设计空间
3.1 为什么静态生物材料不够？
传统生物材料通常被视为静态实体：一旦植入，其结构、化学和机械性质预期保持不变或仅通过降解衰减。这一设计哲学与天然组织的行为形成鲜明对比，天然组织是机械和生化动态系统。损伤后，组织软化、肿胀、重组其ECM，然后随着修复进行逐步硬化和重塑。这些变化并非偶然；免疫系统被调谐来读取力学和生化的演变模式，而非单一固定状态。例如，骨骼肌、肝、肺和皮肤的粘弹性和刚度在愈合的炎症、增殖和重塑阶段显著演变。早期肉芽组织柔软且高度耗散，随着肌成纤维细胞沉积和交联胶原，刚度可增加数个数量级，松弛时间变长。巨噬细胞、成纤维细胞和其他免疫及基质细胞不断适应这些轨迹，响应生化线索和时间变化的机械信号改变其表型。静态支架难以追踪这些轨迹。一个为第一天止血和早期髓系募集而优化的水凝胶可能在第七天对促解决巨噬细胞极化变得不适应，到第四周明确促纤维化。同样，坚硬的永久性植入物，如金属电极或刚性聚合物装置，最初置于软组织中，经历由致密胶原包膜的进行性包封，进一步增加局部刚度和机械失配。这种静态装置力学与演变组织力学的组合可驱动慢性炎症、微动损伤，并最终导致植入物的功能隔离。这些局限性推动了从被动耐受、结构稳定的支架向性质被有意编程以随时间演变、与预期免疫和再生轨迹同步的生物材料的转变。

3.2 定义4D免疫-力学生物材料
在更广泛的材料和工程文献中，4D系统被定义为以编程、刺激响应方式随时间改变其结构或功能的构建体，时间作为明确的设计维度添加到3D形式中。在生物医学背景下，4D打印和4D生物材料通常涉及智能聚合物和生物墨水，这些材料响应内部线索（如酶活性、氧化还原状态、pH和细胞牵引）或外部线索（如光、温度、磁场和电场）改变形状、刚度、孔隙率、降解速率或生化呈递。对于宿主反应控制，这一通用概念需要专门化。在此，4D免疫-力学生物材料可理解为这样的材料：其中力学、结构和生化信号的时间编程变化被明确设计用于引导先天和适应性免疫过程，机械相互作用被视为核心设计变量而非副作用。在此类系统中，初始较硬、结构支撑的植入物可能有意在炎症解决时软化或变得更粘弹性，以减少肌成纤维细胞活化和包膜增厚。或者，表面配体流动性、降解或交联密度可被编程为在定义阶段发生变化，使得巨噬细胞在募集、胞葬作用和解决过程中看到不同的机械和生化环境。为了将这些系统与更广泛的可降解或刺激响应材料区分开来，研究人员提出，只有当材料满足三个标准时，才可称为4D免疫-力学生物材料。首先，其机械、结构或生化状态必须遵循一个编程的、可预测的时间轨迹，而非仅仅通过被动侵蚀或溶胀变化。其次，该轨迹必须有意映射到定义的免疫和基质窗口——募集、胞葬作用、解决和重塑——而非作为降解的偶然副产品出现。第三，所产生的免疫或纤维化结果必须因果地归因于时间过程本身，理想情况下通过对照实验将演变性质与终点化学性质解耦。在此定义下，一个常规的pH或ROS可降解水凝胶如果只是简单地侵蚀并释放货物，则属于刺激响应材料，但除非其演变的力学被有意设计并针对免疫动力学进行验证，否则不是4D免疫-力学生物材料。

3.3 动态机械设计空间
4D设计空间的一个主要轴是时间依赖性力学。在此，粘弹性、应力松弛、动态刚度变化和机械活性驱动提供了不同但相互连接的杠杆。粘弹性和应力松弛是天然ECM固有的，并越来越多地通过物理交联（如离子相互作用、氢键、主客体复合物和疏水域）或动态共价键（包括Schiff碱、腙、硼酸酯和Diels–Alder化学）结合到合成网络中。这些结构允许独立调节瞬时模量、松弛时间和频率依赖的储能模量和损耗模量。在粘弹性水凝胶上的细胞常常表现出更大的铺展、更动态的粘着斑以及在中等松弛时间下增强的迁移和分化，即使初始刚度保持恒定。对于免疫细胞，增加的基质流动性和应力松弛可以减少与促炎状态相关的持续细胞骨架张力，并促进运动和监视。一个具有直接免疫学相关性的近期例子是基于酰腙的动态水凝胶，其中小分子催化剂加速了键交换。该设计允许在恒定储能模量的同时将应力松弛半衰期调节一个数量级。在固定刚度下，更快的网络动力学通过JAK–STAT信号将巨噬细胞转录谱转向促再生表型，并支持糖尿病伤口更完全、无瘢痕的愈合，突显了当与刚度解耦时，粘弹性本身足以偏倚免疫轨迹。动态刚度代表第二个维度。水凝胶和弹性体可以被设计为随时间软化或硬化，使用可降解交联剂、次级光交联基团或刺激响应片段，其交联密度随pH、温度、酶或离子变化。软化系统可以模拟从临时瘢痕到更顺应重塑组织的过渡，而硬化系统可以匹配承载组织（如骨或纤维软骨）的成熟。重要的是，力学生物学研究表明，细胞不仅整合终点，还整合刚度变化的方向和速率。暴露于随时间硬化的底物上的间充质和成纤维细胞谱系细胞表现出比软化或纯粘弹性基质上更明显的纤维化基因表达，即使终点模量相当。这意味着，随着纤维化发展而保持坚硬或变得更硬的植入物可能喂养之前描述的病理机械转导-免疫反馈回路，而那些软化或变得更耗散的植入物可能有助于转移它。第三个机械轴涉及机械活性材料，它们将施加的刺激转化为主动变形。热响应、pH响应或电响应凝胶可在生理或外部施加的线索下收缩、膨胀或振荡。机械活性生物材料已被开发用于在组织-材料界面