4D“变形”材料：制造人工血管的新希望

4D材料的形状对水有响应性。图中灰色部分吸水速度比蓝色部分快，导致材料弯曲成“C”型。

当地时间2月24日，《先进功能材料》杂志发文称，美国伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）教授Eben Alsberg领导的团队开发了一种新型水凝胶材料。这种独特的4D响应型材料，可遇水卷曲成管状，在生物工程中用于制造人工血管或其他管状结构。

在自然界中，胚胎发育和组织愈合往往涉及高浓度细胞和复杂的结构/组织变化。传统技术已经融入组织工程，例如：工程师可培养生物可降解聚合物支架，并让细胞在液体营养液中存活。随着时间的推移，在适当信号刺激下，细胞数量会成倍增加，并在支架降解时形成具有支架形状的新组织。

然而，静态几何支架无法形成动态变化的组织，也不能促进与邻近组织的相互作用。一般情况下，工程师不会使用支架支撑高密度细胞。

Alsberg说：“使用高密度细胞在组织工程中具有独特优势。因为这可以增强细胞之间的相互作用，从而促进组织发育。”

在特定环境条件下（如光或水），4D材料可以改变形状。生物医学工程师视其为潜在的组织工程结构基质。然而，目前大多数可用的4D材料都不能生物降解或与细胞兼容。

Alsberg教授团队开发的4D水凝胶材料不仅可以随着时间推移改变形状，还具有良好的细胞兼容性和生物降解性。此外，水凝胶材料也能支撑高细胞密度，因此能被细胞“加固”。

在论文中，Alsberg等展示了水凝胶支架在水中的膨胀情况——膨胀量可通过改变水凝胶材料的降解速率或交联聚合物（蛋白质链或多糖）的浓度进行调节。聚合物浓度越高，交联速率越快，水凝胶吸水速率则越慢，从而引发形状改变。

他们将创纪录的高密度骨髓干细胞植入了水凝胶中，并让它们存活了下来。这是具有实际应用价值的重大生物工程学进展。

此外，研究人员还在论文中阐述了水凝胶被诱导成骨和软骨样组织的过程。配合生物打印技术，这种水凝胶材料还能搭建复杂的4D结构。

“我们开发的4D水凝胶，材料的弯曲程度和时间进程都是可控的。因为水凝胶可以支持高细胞密度，所以它能够更完美地模仿生物组织的自然形成及愈合过程。”论文作者、生物医学工程博士后研究员Yu Bin Lee说，“4D水凝胶有望在组织工程中大施拳脚，并且还能够用于研究早期发育过程中的生物进程。”

原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《先进功能材料》

期刊编号：1616-301X

原文链接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoia-ns4022421.php

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