4D打印作為集成時(shí)間維度的先進(jìn)制造技術(shù)，已成為構(gòu)建動(dòng)態(tài)可變結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，尤其在組織工程與再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。水凝膠因其與天然組織相似的高含水性、生物相容性和可打印性而廣泛用于4D生物打印中。

然而，實(shí)現(xiàn)水凝膠結(jié)構(gòu)的高效變形控制仍面臨挑戰(zhàn)，特別是在厚度分布、響應(yīng)均勻性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面。納米復(fù)合水凝膠的引入為改善其響應(yīng)性和力學(xué)性能提供了新思路，但目前多數(shù)策略依賴復(fù)雜多材料系統(tǒng)或精密設(shè)備，限制了其在實(shí)際生物應(yīng)用中的可推廣性。

因此，作者開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)可控、易于打印且具備梯度變形能力的單一納米復(fù)合水凝膠體系，對(duì)推動(dòng)4D生物打印技術(shù)在智能組織構(gòu)建與再生工程中的發(fā)展具有重要意義。

最后，作者展示了利用厚度編碼策略實(shí)現(xiàn)的多方向自彎曲復(fù)雜結(jié)構(gòu)的4D打印實(shí)例，驗(yàn)證了該策略在生物仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的適用性，相關(guān)結(jié)果如圖4、圖5所示：

• 圖4(a)：模擬珊瑚蟲(chóng)形態(tài)的打印構(gòu)型，在去離子水中膨脹后可自發(fā)形成環(huán)狀主體和外展足部。
• 圖4(b)：減小主體厚度和足寬后，結(jié)構(gòu)變形成類似蜈蚣的形態(tài)，與有限元模擬預(yù)測(cè)一致。
• 圖4(c–d)：類蟹和類蝎結(jié)構(gòu)的打印及形變效果，均由單次UV曝光下的厚度梯度驅(qū)動(dòng)，與FEA模擬結(jié)果高度一致。
• 圖5：載細(xì)胞MX/GG水凝膠的4D生物打印驗(yàn)證——1.0MX/GG水凝膠支架可支持PC12細(xì)胞的高存活率和增殖（圖5b–h），載PC12細(xì)胞的自彎曲結(jié)構(gòu)在體外培養(yǎng)7-14天可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分化（圖5i–o），載HUVEC細(xì)胞的自彎曲結(jié)構(gòu)在14天培養(yǎng)中維持彎曲能力且細(xì)胞形態(tài)正常（圖5p–r）。

圖4 FEA模擬引導(dǎo)的結(jié)構(gòu)的4D打印，其具有響應(yīng)于濕度的單向自彎曲（從左到右：CAD設(shè)計(jì)、FEA模型、模擬自彎曲行為、打印圖案及變形后3D結(jié)構(gòu)照片，包括三臂夾持器、四臂夾持器、五瓣花）

圖5 載細(xì)胞MX/GG水凝膠的4D生物打印

1. 材料體系創(chuàng)新： 開(kāi)發(fā)了具有可編程形變能力的MX/GG智能水凝膠材料體系，通過(guò)將MXene引入GelMA明膠水凝膠中，賦予材料優(yōu)異的紫外吸收、電導(dǎo)率和生物相容性，促進(jìn)了交聯(lián)梯度的形成，提升了整體形變性能。
2. 打印策略突破： 提出并驗(yàn)證了一種基于厚度調(diào)控的簡(jiǎn)便4D生物打印策略，通過(guò)控制打印結(jié)構(gòu)的厚度，在單次UV照射下實(shí)現(xiàn)交聯(lián)梯度調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的單向或雙向自彎曲行為，無(wú)需復(fù)雜多材料系統(tǒng)或精密設(shè)備。
3. 應(yīng)用潛力驗(yàn)證： 實(shí)現(xiàn)了多個(gè)仿生結(jié)構(gòu)的4D打印，展現(xiàn)多樣形變能力，成功構(gòu)建了如珊瑚蟲(chóng)、蜈蚣、螃蟹、蝎子等多種復(fù)雜形態(tài)的仿生結(jié)構(gòu)；同時(shí)驗(yàn)證了載細(xì)胞水凝膠的生物相容性，證明該策略在動(dòng)態(tài)生物結(jié)構(gòu)構(gòu)建（如組織工程支架）中的廣泛適用性。