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  增材制造（又稱3D打印）技術革新了許多材料的傳統制造方法，在構建復雜結構的組織工程（TE）植入物方面優勢顯著。尤其是，新興的“3D打印+時間”（即4D打印）技術能夠響應外界特定的刺激改變自身形狀、屬性或功能，以適應組織和器官復雜的動態微環境（如溫度、pH、酶和電位等）。然而，許多天然組織表現出各向異性的異質結構，具有多樣的成分和功能，這使得基于單一材料的3D或4D生物打印技術構建復雜的仿生結構具有極大的挑戰性。多材料3D和4D打印技術能夠構件復雜異質層級結構的多生物功能植入物，比單一材料方法更好地復制宿主微環境，為開發下一代新型TE支架開辟了新途徑。然而，多材料3D和4D打印技術能力與組織工程應用需求之間存在巨大差距。

  鑒于此，香港城市大學呂堅教授團隊就異質結構植入物3D和4D生物打印策略的優點、局限性等進行了系統討論。該工作以“Multi-Material 3D and 4D Bioprinting of Heterogeneous Constructs for Tissue Engineering”為題發表在《Advanced Materials》上。文章第一作者是香港城市大學陳安南博士、王婉瑩博士研究生和毛正義博士，通訊作者是呂堅教授。

圖1. 圖文摘要

1、仿生TE異質結構的典型設計策略

  在TE領域，已經發展出了多種方法來制備能夠促進生物功能再生的異質結構。這些方法可以分為自頂向下和自底向上兩種方法。選擇適當的方法取決于目標組織的要求，包括細胞復雜性、形態異質性和功能需求等因素。圖2顯示了自頂向下和自底向上兩種典型的TE異質結構設計策略。這兩種設計策略可指導多材料3D和4D生物打印技術通過精確控制不同生物材料、細胞和生化因素的空間模式，以在宏觀和微觀尺度上模擬原生組織的結構與功能異質性。

圖2. TE異質結構設計策略（a）自頂向下與（b）自底向上

2、用于TE的多材料3D生物打印技術

  本文將異質結構多材料生物3D打印技術最新研究進展進行回顧與分類（圖3）：（ⅰ）多材料擠出打印，包括單噴嘴擠出、多噴嘴擠出、同軸擠出和嵌入式擠出生物打印；（ⅱ）多材料噴墨打印，包括多噴嘴噴墨和單噴嘴噴墨；（ⅲ）多材料激光誘導正向轉移；（ⅳ）多材料光聚合，包括多缸光聚合、多噴嘴順序注射、多波長光聚合、注射連續液界面生產和多材料體積增材制造；（ⅴ）多材料混合生物3D打印；（ⅵ）多材料生物體內3D打印，包括侵入性和非侵入性方法。他們討論了上述多材料3D生物打印技術用于構建TE異質結構的優勢和挑戰。

圖3. TE異質結構多材料生物3D打印技術的分類和原理圖

3、新興的TE多材料4D生物打印策略

  在4D打印TE異質結構中，誘導細胞水平的形狀/性能/功能變化，并重塑其生理微環境的策略至關重要。本綜述從TE異質結構應用角度，創新地將生物4D打印誘導策略分為侵入式和非侵入式兩大類，并討論了其誘導仿生組織和器官特定動態微環境的優勢和挑戰，為研究人員更好地理解和模擬人體內部復雜的結構和功能提供了一個平臺。

4、多材料3D和4D生物打印的TE應用

  多材料3D和4D生物打印技術在創建具有多功能集成的異質結構方面具有突出的優勢，可以更真實地再造人體組織。因此，多材料3D和4D生物打印方法已廣泛應用于TE領域，例如組織制造、血管網絡、類器官和腫瘤模型。綜上，多材料3D和4D生物打印技術在組織工程領域已表現出巨大的潛力。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307686

呂堅教授研究團隊介紹：

  呂堅院士團隊依托國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心、香港城市大學先進結構材料研究中心和沈陽材料科學國家研究中心大灣區研究部等國家及省部級平臺，長期從事先進納米材料制備與力學性能， 3D/4D 打印，結構與功能材料預應力工程等方面的研究工作，相關成果在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Advanced Materials、Nature Communications、Science Advances等專業期刊上發表論文450余篇，引用4萬余次，已取得70余項歐、美、中授權專利，承擔國家工程研究中心IT，Croucher Foundation UGC，RGC （CRF, GRF）， 國家重點研究項目MOST，重大項目NSF等50余項。

  課題組鏈接：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian