[Abstract]

基质微结构的动态调整控制组织工程中国干细胞命运的有效策略。将其转化为临床环境中的体内组织修复仍然具有挑战性，这需要对多尺度结构特征进行精确的时间控制。近日，浙江大学化学工程与生物工程学院赵谦教授,浙江大学医学院口腔科博士于梦飞/王惠明院长团队采用4D打印技术，多响应双制造了由形状记忆聚合物（SMP）层和水凝胶层组成的层状可变形膜。

SMP 层具有响应性表面微结构，可以精确地在增殖和分化之间切换阶段，从而促进骨形成。水凝胶层使薄膜能够以数字方式调整其 3D 几何形状，以匹配临床场景中特定的宏观骨骼形状。 作者的体内实验表明，与具有静态微结构的参考膜相比，4D 可变形膜在新骨形成方面表现出 30% 以上的改善。更重要的是，4D膜可以以非侵入性的方式保形包裹骨缺损模型。这种策略可以扩展到修复复杂的组织缺陷。相关论文标题为4D打印多响应膜通过远程调控干细胞命运加速体内骨愈合 发表于“高级功能材料”。

[主要图片指南]

为了应对这些挑战，该团队在这里制作了由 4D 打印水凝胶层和微结构 SMP 层组成的双层膜（示意图 1）。由于其宏观平面几何形状，成品膜可以以非侵入性方式在体内递送。一旦到位，水凝胶会膨胀，并且膜会随着时间的推移变形为 4D 打印过程的数字文件中预设的 3D 宏观几何形状。

示意图 1 用于骨修复的 4D 打印双层膜的示意图演示。

< strong>图 1 通过 SMP 动态调整表面形态。 a) SMP 网络的集成。 b) 对应于两种 PCLDA 前体之间不同比例的 SMP 网络的差示扫描量热曲线。 c) 通过动态力学分析获得的 SMP 的定量形状记忆周期；可以根据参考计算形状固定和恢复。 d) 原始、编程和恢复的表面形貌的共聚焦激光扫描显微镜 (LCSM) 图像。 e) 形貌的顶视图和侧视图的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

图 2 可切换的地形增强体外和体内的成骨分化。

< strong>图3 体外实验拓扑转化前后细胞形态学变化。 a) 细胞的 SEM 图像。细胞和表面形态分别用紫色和绿色染色。 b) 细胞的 LCSM 图像。细胞是用罗丹明（红色）和 DAPI（蓝色）获得的。白色箭头显示了 Dyn 组中微柱上方细胞骨架的分布。 c) 细胞核的免疫荧光图像。

图 4 细胞和细胞核形状的变化促进成骨分化。

< strong>图 5 双层膜的 4D 打印。 a) 双层 4D 打印过程示意图。 b) 通过控制曝光来编程宏观曲率。 c) 宏观和复杂几何形状的 4D 打印。图示的颜色图案代表 4D 打印的光图案。比例尺为 5 毫米。 d) 4D打印双层膜定制配件。

图 6 4D 打印的可编程双层膜实现了更好的骨折愈合。 a) 双层膜固定在断裂面上的示意图。 b) 第 2 周和第 4 周骨折的显微 CT 结果。 c) 第 4 周愈伤组织的骨体积/组织体积 (BV/TV)。 d) 4 周时愈伤组织的 BMD。 e) 4周时小鼠骨折端愈合状态的图像结果。 f) 骨缺损周围CD34、RUNX2和OSX的图像结果。 BT = 骨组织，BM = 骨髓。

图7 4D打印可编程双层膜有助于恢复小鼠的运动能力。 a) 第 4 周走秀足迹的代表性信号图像。b) 第 4 周小鼠 3D 足迹强度的测量。 c) 第 4 周组间打印区域的水平变化。 d) 第 4 周组间平均强度水平的变化。

[总结]

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