大连理工大学王华楠教授团队AFM：仿生设计4D打印多步响应Janus支架用于血管重建

传统的通过双层结构设计可响应变形支架通常只能引起各向同性的形状偏移，并且由于缺乏对层间界面收缩失配的微调调节，无法精确控制形状。此外，在生物医学领域，如何通过4D打印实现微创输送从而克服手术过程中的空间限制，同时在生理相关条件下触发二次的功能性的形状变形对生物医学应用也具有重要意义，然而，这已被证明是一个巨大的挑战。

为了解决这一问题，大连理工大学王华楠团队通过自然界中许多枯萎的叶子或花朵在脱水后自发卷曲，从扁平结构转变为管状结构的现象中获得启发。开发了一种创新策略来设计刺激响应支架，该支架能够从扁平的2D结构可编程地转换为各种卷曲的3D组织模拟结构。并能够在体内进行二次转化以适应局部管状组织内的几何形状。此外，印刷支架的定向结构可以使内皮细胞粘附、增殖和定向，从而为组织工程血管支架的设计提供了一种新策略。该研究以题为“Bio-inspired Design of 4D-printed Scaffolds Capable of Programmable Multi-step Transformations toward Vascular Reconstruction”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。文章的第一作者是大连理工大学博士生王启帆，王华楠教授为论文的通讯作者。

具体来说，该研究采用了两种跨尺度的增材制造工艺来构建具有janus双层结构的支架，该结构复制了叶子的不对称结构。通过熔融电积（MEW）技术制备了一种由亚微米聚己内酯（PCL）纤维网制成的被动层，类似于稳定且机械强度高的叶子的“叶肉”层。通过直接油墨书写（DIW）技术制备了甲基丙烯酸酯-明胶/海藻酸盐（GelMA/Alg）双网络（DN）水凝胶的体积可转化活性层，类似于叶子的“静脉”层，可以在脱水或水合时从外部触发主动收缩或膨胀。

图1.具有可控卷曲曲率的janus支架的仿生设计。

值得注意的是，不同类型的叶子在脱水后卷曲成各种形状，弯曲角度不同，这可能与不同叶子的机械性能差异有关。这一现象表明，枯叶的曲率基本上可以通过调整“叶肉”层的基质刚度来调节（图1）。此外，受枯叶呈现不同卷曲方向和由叶脉图案主导的变形能力的现象的启发，作者进一步提出通过微调“叶脉”层的印刷图案来控制janus支架的变形。通过结合调整被动层在卷曲曲率上的刚度和设计主动水凝胶层在卷曲方向上的图案，进一步扩展以更精确地模拟组织结构。

图2. 能够进行多步转换的janus支架的设计原理。

在此，作者提出利用双网络水凝胶的逐步教练策略来设计一种多步转换4D打印支架，该支架能够从扁平形状初步从2D到3D转变为管状结构，然后通过二次交联固定管状结构，接着进行二次转化，以在浸入生理液后进一步局部有限膨胀（图2）。

图3. 设计和制造janus支架并在血管内递送时从2D形状变形为3D三叉血管，并在生理环境下进行二次形状适应。

最终，基于对叶片转化机制的深入研究以及仿生4D打印制造策略，作者结合“叶肉”层和“叶脉”层的仿生设计策略，通过设计水凝胶图案和微调PCL薄膜的刚度，可以精确控制支架的卷曲方向和曲率，从而制造出具有各种卷曲方向和弯曲的3D结构化组织模拟结构。这种通过卷曲曲率和卷曲方向的协同调节策略为可变形水凝胶设计更复杂的结构提供了新的思路。同时，复合水凝胶的逐步双重交联策略实现了生理环境下初级转化结构的二次响应，提供了更好的适应性能来递送和适应局部组织形状。正如递送后生理刺激引发的复杂血管支架的二次转化所证明的那样，这使得支架形状能够适应局部血管形状，并提供支持局部血管的功能，这可以为体内设计二次功能反应提供新的策略。

--检测服务--

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202407592

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！