可改变形状的4D材料在生物工程领域大有前途

由Richard and Loan Hill生物医学工程教授Eben Alsberg领导的研究人员开发了这种物质，显示出这种物质的独特之处材料可以卷曲成管响应水，使材料的好候选人生物工程血管或其他管状结构。

在自然界中，胚胎发育和组织愈合通常涉及高浓度的细胞和复杂的结构和组织变化，最终导致最终的组织形态和结构。

对于组织工程例如，传统技术涉及在充满液体营养物的生物室中培养可生物降解的聚合物支架，以保持细胞存活。随着时间的推移，当提供适当的信号时，细胞数量会增加，并产生新的组织，随着支架的降解而呈现出支架的形状。例如，耳朵形状的支架植入能够产生软骨和皮肤组织的细胞，最终可能成为可移植的耳朵。

然而，几何静态支架不能形成随时间动态改变形状的组织，也不能促进与改变形状的相邻组织的相互作用。高密度的细胞通常也不使用和/或由支架支撑。

同时也是UIC骨科、药理学、机械和工业工程教授的Alsberg说:“使用高密度细胞在组织工程中具有优势，因为这可以增加细胞与细胞的相互作用，从而促进组织发育。”

进入4D材料，这是类似于3D材料，但当他们暴露在特定的环境线索，如光或水，他们改变形状。这些材料已经被生物医学工程师视为潜在的组织工程的新型结构基质，但目前大多数可用的4D材料还没有可生物降解的或与单元格兼容。

为了利用4D材料在生物工程中的应用前景，Alsberg及其同事开发了基于类明胶的新型4D材料水凝胶随着时间的推移，它们的形状会随着水的加入而改变，并且是细胞兼容和生物可降解的，这使它们成为先进组织工程的优秀候选人。水凝胶还支持非常高的细胞密度，所以它们可以大量播种细胞。

在这篇论文中，研究人员描述了暴露在水下如何导致水凝胶支架随着水的吸收而膨胀。例如，可以通过改变水凝胶材料的方面来调节溶胀量，例如其降解速率或交联聚合物的浓度，在这种情况下，包括水凝胶的蛋白质链或多糖链。聚合物浓度和交联度越高，给定水凝胶吸收水以引起形状变化的速度越慢。

研究人员发现，通过将不同性质的水凝胶分层，就像一叠纸，层间吸水率的差异会导致水凝胶堆栈弯曲成“C”形构象。如果堆栈足够弯曲，就形成了管状结构，类似于血管和其他管状器官的结构。

他们还发现，可以校准系统以控制发生的时间和形状变化的程度。研究人员能够以极高的密度将骨髓干细胞嵌入水凝胶中，这是4D材料中有史以来细胞密度最高的一种材料，并使其保持活力，这是生物工程的一个重大进展，具有实际应用价值。

在这篇论文中，研究人员描述了这种充满细胞的可改变形状的水凝胶如何被诱导成为骨和软骨样组织。4 d生物打印这种水凝胶的结构也得到了独特的配置，以实现更复杂的4D结构。

“用我们的双层水凝胶,我们不仅可以控制材料弯曲多少经历及其时间进程,但由于水凝胶可以支持高细胞密度,他们更紧密地模仿多少组织形式或自然治愈,”Yu说本·李,生物医学工程博士后研究员和第一作者在纸上。“这个系统为组织工程带来了希望，但也可能用于研究早期发育的生物过程。”

这项研究发表在杂志上先进功能材料．