《Next Nanotechnology》：Smart biomaterials in 4D printing: from tissue engineering to translational applications
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近期，组织工程与重建领域的进展要求支架系统能够动态适应复杂的生理环境。传统的3D打印支架虽然结构精确，但仍是静态的，往往无法复制天然组织的响应性重塑行为。在此背景下，4D打印已成为一种下一代生物制造策略，它集成了刺激响应的“智能”生物材料，能够在时间上经历形状
近期，组织工程与重建领域的进展要求支架系统能够动态适应复杂的生理环境。传统的3D打印支架虽然结构精确，但仍是静态的，往往无法复制天然组织的响应性重塑行为。在此背景下，4D打印已成为一种下一代生物制造策略，它集成了刺激响应的“智能”生物材料，能够在时间上经历形状、机械性能或功能性的程序化改变。本综述全面概述了4D打印智能支架在组织工程与重建中的最新进展和转化应用。智能聚合物、水凝胶、纳米复合材料和多功能生物墨水（bioinks）的进展使得构建体能够对温度、pH、湿度、磁场和光等生理触发因素产生响应，从而改善植入后的支架适应性。新兴的制造策略，包括多材料打印、细胞负载生物墨水的整合以及先进的交联方法，进一步扩展了仿生和患者特异性再生构建体的设计。骨与软骨再生、伤口愈合与皮肤重建、血管修复和神经组织工程等临床相关应用正在被日益探索，在临床前研究中显示出增强的功能整合和再生结果。尽管取得了可喜进展，关键挑战依然存在，包括体内转化的精确控制、长期生物相容性、临床转化的可扩展性以及缺乏标准化评估方案。持续的跨学科创新和监管进展有望加速适应性、个性化植入体的发展，并确立4D打印作为重建再生医学中的变革性平台。
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引言
组织工程与再生医学领域在过去几十年取得了显著进步，3D打印通过制造具有精确结构、定制孔隙率和患者特异性几何形状的支架发挥了变革性作用。然而，这些结构本质上是静态的，无法复制天然组织的动态适应行为，这推动了4D打印作为下一代方法出现。4D打印通过融入刺激响应的“智能”材料扩展了3D打印的能力，这些材料在暴露于温度、pH、湿度、磁场或光等外部触发因素时能够经历受控的转化。第四维度指的是这种动态适应性，使4D打印构建体能够改变形状、结构或功能。将刺激响应材料整合到4D打印中为高级生物医学应用开辟了新途径，例如形状转换、溶胀、降解或生物活性剂的控释。本综述聚焦于4D打印材料在组织工程与再生中的最新进展和挑战，强调材料设计、制造技术和生物医学应用，并区分了真正的4D打印与传统刺激响应系统。
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4D打印基础
4D打印代表了3D打印的高级演进，引入了时间作为功能参数。与产生固定几何形状的传统3D打印不同，4D打印利用刺激响应智能材料在制造后经历受控转化。
2.1 什么是真正的4D打印？
真正的4D打印系统要求几何形状、材料组成和刺激输入被有意耦合以产生可预测的时间依赖功能变化。时间作为主动设计参数，打印后响应在制造时编码。构建体被视为真正的4D打印系统需满足：打印几何编码变形路径；材料对定义刺激响应；产生的转化是时间编程的而非仅仅是刺激反应。
2.2 报告系统的分类
为避免将刺激响应生物材料过度分类为4D打印，本综述根据标准筛选。仅表现出溶胀、消溶胀、降解、药物释放或相变的材料不被归类为真4D打印，除非打印结构包含编程变形路径并展示可测量的打印后转化。展示结构导向折叠、弯曲、自展开等的研究被归类为真4D打印例子。同时区分了无细胞4D打印与4D生物打印，后者包含活细胞且必须展示编程的打印后转化。
2.3 4D打印与传统3D打印的区别
主要区别在于打印结构的时间依赖适应性。4D打印包含智能材料，能够在暴露时变形、自组装、自愈合或重组，模拟天然组织的演化微环境。
2.4 触发材料转化的刺激
4D打印功能依赖刺激响应材料。温度响应材料可在生理相关温度转化；pH响应材料利用伤口或肿瘤微环境的酸性变化进行选择性降解或药物释放；湿度响应材料维持水合环境；磁场响应材料通过嵌入磁性纳米颗粒（如Fe3O4）实现非侵入控制；光响应材料提供高时空精度控制。生理条件下的性能取决于激活阈值、响应速度、可逆性、组织可及性和细胞相容性。
2.4.1 生理条件下刺激响应系统的性能
热响应系统受益于恒定的37°C，但需精确调节转变温度。pH响应系统用于伤口和肿瘤，但体内pH差异小且多变。光响应系统受组织穿透限制和光毒性。磁响应系统依赖磁场强度和纳米颗粒分布。酶和活性氧（ROS）响应系统提供疾病特异性，但激活可变。没有单一平台普遍最优。
2.5 4D材料行为机制
动态行为来自形状记忆效应（SME）、溶胀/消溶胀、交联/溶解和相变。形状记忆聚合物（SMPs）可编程临时形状并在热触发下恢复。溶胀通过水吸收促进细胞浸润。交联调节稳定性和降解。相变使材料匹配目标组织机械性能。
2.6 4D打印中的材料设计考虑
设计需考虑机械强度、弹性、粘弹性、刺激敏感性、降解动力学、可打印性、流变行为和生物相容性，以确保在生理条件下的可控响应。
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4D打印的智能材料
智能材料分为天然、合成和复合材料。
3.1 天然智能生物材料
明胶甲基丙烯酰（GelMA）可光交联，用于伤口愈合，但机械强度弱需功能化。海藻酸盐通过离子凝胶，常与GelMA混合改善性能。壳聚糖具有pH响应和抗菌性，但机械强度有限。
3.2 合成智能生物材料
包括形状记忆聚合物（SMPs）、热响应和光响应聚合物。
3.2.1 形状记忆聚合物系统
SMPs具有永久和临时形状，由热激活。代表系统有聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚氨酯（PU）和聚甘油十二烷酸酯丙烯酸酯（PGDA）。PGDA的转变温度可调至20–37°C，适用于生理环境。4D打印SMPs用于血管支架、软骨再生等，但临床转化需控制激活温度、循环恢复、机械稳定性、降解和灭菌兼容性。
3.2.2 热响应合成聚合物
聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）具有低临界溶解温度（LCST）接近体温，用于温度依赖的尺寸变化，但机械强度有限。
3.2.3 光响应和其他刺激响应合成聚合物
光响应聚合物含偶氮苯等，提供时空控制，但组织穿透有限。液晶弹性体（LCEs）产生可编程变形。
3.3 复合材料
结合多种刺激响应，如PNIPAM与GelMA混合实现光和热响应。双层结构结合水溶胀聚氨酯和热收缩SMP实现可编程弯曲。
3.4 智能生物材料的关键比较
SMPs提供精确驱动但生物活性低；水凝胶生物相容性好但机械稳定性差。复合材料结合两者优势但制造复杂。聚合物共混改善机械性能，但相分离和填料团聚是挑战。
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4D打印策略
包括熔融沉积建模（FDM）、数字光处理（DLP）/立体光刻（SLA）、直接墨水写入（DIW）、多材料打印和4D生物打印。
4.1 熔融沉积建模（FDM）
适用于热塑性SMPs，参数影响形状记忆响应。可制造紧凑结构热恢复，但处理温度高、分辨率有限。
4.2 数字光处理（DLP）和立体光刻（SLA）
利用光聚合制造高分辨率结构，适用于光交联水凝胶。但光穿透有限、光引发剂细胞毒性需优化。
4.3 直接墨水写入（DIW）
挤出粘弹性墨水，适合水凝胶和复合材料。可编码溶胀、折叠等转化。例如磁性PNIPAM水凝胶展示温度和磁场驱动。
4.4 多材料4D打印
空间集成不同材料产生复杂变形，如双层构造响应水和温度。但界面兼容性和重复性挑战。
4.5 4D生物打印和基于生物墨水的方法
结合活细胞和生物活性成分，实现生物驱动重塑。但细胞活力、流变和转化诱导应力需优化。
4.6 多材料4D打印（重复节略）
涉及多种材料响应多重刺激，创建功能梯度。生物墨水整合活细胞引入细胞反馈机制。
4.7 新交联方法
超越UV交联，可见光、酶和离子交联被探索。离子交联用于海藻酸盐，提供可调机械性能。SwellMA等高溶胀水凝胶展示动态响应。
