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在自然生長情況下，胚胎發育和組織愈合需要經過高濃度細胞以及復雜的結構組織變化，才能形成最終的組織形態和結構。

而組織工程可以使細胞或組織按照規定形狀生長，在體內或體外構建組織和器官。例如，在一個耳朵形支架中植入可生成軟骨和皮膚組織的細胞，最終可能會形成可移植的耳朵。目前該過程使用的支架大體可分為兩類：金屬材質的和可降解材料制成的。

然而，無論是金屬還是可降解材料制成的幾何靜態支架，在實際應用中都存在另外一個問題：形成的組織不能動態改變形狀，這就導致其無法與動態變化的相鄰組織進行相互作用。

為解決這一問題，伊利諾伊大學芝加哥分校（University of Illinois at Chicago, UIC）研究人員開發出一種新型 4D 水凝膠材料，它可在心理刺激下改變形狀，未來可能成為制作生物工程組織和器官的下一代材料。

該研究相關論文于 2 月 24 日發表在 Advanced Functional Materials 雜志上，題目為《通過改變形狀的水凝膠誘導高密度細胞組織中的 4D 轉變》（Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels）。

該材料在水的作用下可卷曲成管狀，這種性能將有助于其用于制作生物工程血管和其他管狀組織結構，由 UIC 生物醫學工程教授 Eben Alsberg 和 Richard 領導的研究小組開發。

4D 材料與 3D 材料類似，但二者的不同之處在于，4D 材料能夠在特定的環境（如水、光等）中實現形狀的動態變化。也就是說，4D 材料是可以進行幾何變化的 3D 材料。

在水中改變形狀的 4D 水凝膠

其實，此前生物工程研究者已將 4D 材料視為組織工程結構制造的潛在材料，但目前尚存在無法降解以及與細胞兼容問題，這限制了其在再生醫學方面的應用。為將這一優勢應用于生物工程中，Alsberg 研究小組在明膠水凝膠的基礎上開發了可隨水量增加去改變形狀、并且能與細胞兼容的可實現生物降解的新型 4D 材料。據悉，水凝膠也支持非常高的細胞密度，也因此能用細胞進行塑形。

研究人員在論文中提到，水凝膠吸水膨脹的程度可通過改變材料的降解率、聚合物交聯度和濃度等方面進行調節。此次實驗中，研究人員用氧化的甲基丙烯酸藻酸鹽（OMA）和甲基丙烯酸酯化明膠（Gel MA）交聯形成這種 4D 水凝膠材料，可在沒有外部刺激的情況下實現可控的形狀變化。

他們經過研究發現，聚合物濃度和交聯度越高，水凝膠吸水誘發的形變程度也就越小越緩慢。據此，研究人員把不同吸水性的水凝膠像一疊紙一樣分層放置在水中，材料整體會彎曲成 “C” 形結構。如果足夠彎曲，將能形成類似于血管或其他管狀器官的結構。

他們還發現，可通過控制水凝膠發生形狀變化的程度和所需的時間對系統進行校準。他們還用實驗驗證了將骨髓干細胞以非常高的密度嵌入到水凝膠中，且使其保持細胞活性。

論文中，研究人員還描述了如何將充滿細胞的水凝膠變成骨骼和軟骨狀組織，并且可以用該材料通過 4D 打印的方式獲得復雜的生物結構。

該研究似乎可以解決金屬支架以及傳統可降解生物支架存在的問題，但是否將進行實際應用尚未可知，無論如何這在生物工程的實際應用上是十分有意義的。