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在自然生長情況下，胚胎發(fā)育和組織愈合需要經(jīng)過高濃度細(xì)胞以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組織變化，才能形成最終的組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)。

而組織工程可以使細(xì)胞或組織按照規(guī)定形狀生長，在體內(nèi)或體外構(gòu)建組織和器官。例如，在一個耳朵形支架中植入可生成軟骨和皮膚組織的細(xì)胞，最終可能會形成可移植的耳朵。目前該過程使用的支架大體可分為兩類：金屬材質(zhì)的和可降解材料制成的。

然而，無論是金屬還是可降解材料制成的幾何靜態(tài)支架，在實際應(yīng)用中都存在另外一個問題：形成的組織不能動態(tài)改變形狀，這就導(dǎo)致其無法與動態(tài)變化的相鄰組織進行相互作用。

為解決這一問題，伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（University of Illinois at Chicago, UIC）研究人員開發(fā)出一種新型 4D 水凝膠材料，它可在心理刺激下改變形狀，未來可能成為制作生物工程組織和器官的下一代材料。

該研究相關(guān)論文于 2 月 24 日發(fā)表在 Advanced Functional Materials 雜志上，題目為《通過改變形狀的水凝膠誘導(dǎo)高密度細(xì)胞組織中的 4D 轉(zhuǎn)變》（Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels）。

該材料在水的作用下可卷曲成管狀，這種性能將有助于其用于制作生物工程血管和其他管狀組織結(jié)構(gòu)，由 UIC 生物醫(yī)學(xué)工程教授 Eben Alsberg 和 Richard 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)。

4D 材料與 3D 材料類似，但二者的不同之處在于，4D 材料能夠在特定的環(huán)境（如水、光等）中實現(xiàn)形狀的動態(tài)變化。也就是說，4D 材料是可以進行幾何變化的 3D 材料。

在水中改變形狀的 4D 水凝膠

其實，此前生物工程研究者已將 4D 材料視為組織工程結(jié)構(gòu)制造的潛在材料，但目前尚存在無法降解以及與細(xì)胞兼容問題，這限制了其在再生醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。為將這一優(yōu)勢應(yīng)用于生物工程中，Alsberg 研究小組在明膠水凝膠的基礎(chǔ)上開發(fā)了可隨水量增加去改變形狀、并且能與細(xì)胞兼容的可實現(xiàn)生物降解的新型 4D 材料。據(jù)悉，水凝膠也支持非常高的細(xì)胞密度，也因此能用細(xì)胞進行塑形。

研究人員在論文中提到，水凝膠吸水膨脹的程度可通過改變材料的降解率、聚合物交聯(lián)度和濃度等方面進行調(diào)節(jié)。此次實驗中，研究人員用氧化的甲基丙烯酸藻酸鹽（OMA）和甲基丙烯酸酯化明膠（Gel MA）交聯(lián)形成這種 4D 水凝膠材料，可在沒有外部刺激的情況下實現(xiàn)可控的形狀變化。

他們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，聚合物濃度和交聯(lián)度越高，水凝膠吸水誘發(fā)的形變程度也就越小越緩慢。據(jù)此，研究人員把不同吸水性的水凝膠像一疊紙一樣分層放置在水中，材料整體會彎曲成 “C” 形結(jié)構(gòu)。如果足夠彎曲，將能形成類似于血管或其他管狀器官的結(jié)構(gòu)。

他們還發(fā)現(xiàn)，可通過控制水凝膠發(fā)生形狀變化的程度和所需的時間對系統(tǒng)進行校準(zhǔn)。他們還用實驗驗證了將骨髓干細(xì)胞以非常高的密度嵌入到水凝膠中，且使其保持細(xì)胞活性。

論文中，研究人員還描述了如何將充滿細(xì)胞的水凝膠變成骨骼和軟骨狀組織，并且可以用該材料通過 4D 打印的方式獲得復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)。

該研究似乎可以解決金屬支架以及傳統(tǒng)可降解生物支架存在的問題，但是否將進行實際應(yīng)用尚未可知，無論如何這在生物工程的實際應(yīng)用上是十分有意義的。