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作为一种创新的增材制造工艺，4D打印可以生成预先设计的自组装结构，从而驱动随时间变化的动态形变。与其他用于组织工程目的的制造技术相比，4D打印的优势在于能够制造可重编程的动态组织结构，从而促进细胞的均匀生长和分布。华盛顿大学的LijieGraceZhang教授团队在ACSAppliedMaterialsInterfaces上发表题为“4DPrintedCardiacConstructwithAlignedMyofibersandAdjustableCurvatureforMyocardialRegeneration”的研究成果，提出了一种基于DLP的打印技术，用于制备具有高度定向微结构和可调节曲率的4D近红外(NIR)光敏心肌补片。由于心脏表面的曲率不同，4D心脏构造体可以根据需要改变形状，以模拟和重建心肌组织的弯曲拓扑结构，实现无缝集成。4D心肌补片的制造流程如Figure1所示，为模仿人类心肌结构，研究人员使用DLP打印了PEGDA材料作为模具，然后将4D墨水挤压入模具。在本研究中，4D墨水材料由热响应的形状记忆聚合物组成，使用15%石墨烯实现近红外响应4D转化。4D材料的响应机理是：(1)4D墨水加热到玻璃化转变温度（Tg）以上后，该结构的形状在外力作用下产生临时变形，然后通过热机械编程过程（thermomechanicalprogrammingprocess）在室温下固定；()当结构通过近红外暴露在Tg以上再次加热时，结构体的临时形状可通过光热触发过程逐渐恢复到原始形状。在这个光热过程中，近红外照明能够远程控制纳米复合材料结构的时空形状变化过程。图14D打印心脏补片结构和制造过程示意图收缩打印技术可以显著提高打印结果的分辨率。研究人员设计了一种表面有微槽的圆柱，微槽间距相等，缝隙间距从50μm到00μm。在将形状记忆墨水挤压到PEGDA水凝胶的微沟槽表面并固化1小时后，成功制备4D心肌补片结构。结果如Figure，微槽的轮廓是具有特定宽度和深度的周期函数。图4D心脏补片结构微槽的表面特征根据前期研究，导电材料可以增加心肌细胞的相互作用，从而促进心肌成熟和功能化。研究人员采用伏安循环法分析了结构的导电性能，电导率约为1.85×10?4S/m，足以改善在支架上发育的心肌组织的电-生理耦合性能。对于材料的力学性能，研究人员分别对含15%石墨烯和不含石墨烯的4D墨水进行测试。结果表明，温度显著影响合成4D材料的力学性能。拉伸模量、压缩模量和弯曲模量均随温度的升高而降低，说明随着局部温度的升高，4D材料变得更加柔软，更能改变其形状。而随着石墨烯的加入，机械模量增大。图34D打印结构的电学与力学特性4D打印的U型结构随温度变化结果如Figure4，黑色为含15%石墨烯，透明的为无石墨烯的对照组。当形状记忆聚合物的温度高于其玻璃化转变温度(Tg)时，聚合物变软，杨氏模量降低。在所有测试温度下，含15%石墨烯结构的恢复时间都比对照组短。在40-80℃温度范围内，随着温度的升高，形状恢复时间迅速减少，且40℃下的恢复所需时间是80℃组别的倍。图44D打印热敏U形结构的定量评价为了探索4D结构的近红外敏感性，研究人员用15%石墨烯的聚合物制备了样品，利用近红外激光发生器作为4D材料的刺激，如Figure5。文章定量研究了距离和光强对恢复时间的影响，由于功率的急剧下降，恢复时间随着光源与材料之间距离的增加而增加。同样，随着光强的降低，恢复时间增加。图54D打印近红外响应材料的定量分析此外，为了进一步展示4D材料的近红外响应能力，作者设计并打印了三个复杂的模具，包括字母“GW”、立方体、向日葵。Figure6展示了4D结构在近红外刺激下的形状变化过程。图64D打印结构的变形能力为评估细胞在4D结构上的增值与定向效果，研究人员将hECs和hMSCs接种于支架表面，如Figure7，结果显示不同微槽宽度的细胞增殖无明显差异。为了获得最优的对齐宽度，研究人员在不同的微槽上培养hMSCs。随着时间的增加，hMSCs呈更整齐、更伸长的方式生长。结果表明，在75μm宽的微槽上培养的hMSCs和hiPSC-CMs均获得了最大程度的定向和延伸。因此，75μm宽的微槽结构被选为最有效的引导细胞定向的结构，用于制作心肌组织。而由于hECs在体外的“鹅卵石”形状阻止了它们沿着微槽方向伸长，因此没有进行hECs的定向分析。图7微槽中细胞的形态与定向效果为了模拟人类心脏的细胞组成(由大约5-35%的心肌细胞、40-45%的内皮细胞和30%的支撑细胞组成)，研究人员基于之前的结果，在心肌补片上以4::1的初始细胞比例共培养hiPSC-CMs、hECs和hMSCs。为展示可调曲率的4D打印概念，研究人员打印了弯曲的心肌补片与微槽。在细胞接种前，弯曲结构暂时变为扁平结构。因此，所有细胞都能均匀地附着在平面上。7天后，载细胞结构在近红外光驱动下产生形变以匹配曲面。荧光图像表明，在形状改变后，附着细胞在曲面上保持均匀分布，如Figure8。培养7天后，hiPSC-CMs开始在排列整齐的微槽上形成离散的聚集结构，也开始在整个4D结构上产生同步收缩，表明心肌细胞的电生理耦合。此外，研究发现，与生长在孔板上的单层hiPSC-CMs相比，4D结构上的hiPSC-CMs的收缩跳动速度实质上更慢，但更均匀。这可能是4D结构上的hiPSC-CMs形成了更好的心肌组织，具有节律性和方向性的搏动行为。图8心肌补片的免疫荧光染色总结，本文提出了一种新的DLP打印方法来制作具有排列的微槽和可调节曲率的4D近红外光敏心肌补片。结果表明，近红外响应的4D结构可进行远程可控的形变。通过优化结构表面的微槽宽度，将hiPSC-CMs、hMSCs和hes共培养后，细胞排列均匀，心肌具有规律跳动。本研究为制造复杂、弯曲、细胞分布均匀的组织结构提供了一种有效方法，可进一步启发未来研究中探索4D诱导机械力改善功能的方法。--长按


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