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这篇综述系统探讨了4D打印在软组织工程中的应用，通过整合温度、光、化学、水化及磁学等外部刺激，使3D打印的静态生物结构获得随时间或环境变化而动态响应的能力（即“4D”特性），为创建具有组织特异性功能的复杂皮肤、心血管、神经、骨骼肌及结缔组织等仿生结构提供了前沿策略，旨在克服传统修复方案的局限性，推动再生医学发展。
1. 引言
软组织损伤是全球主要的健康负担，其修复一直是临床面临的重大挑战。组织工程和3D打印技术的发展为构建个性化的静态组织替代物提供了策略。然而，人体内的组织大多是动态的，依赖于复杂的功能化过程以维持正常生理活动。因此，传统的静态3D打印组织模型在功能和适应性方面存在局限。4D打印应运而生，它被定义为3D打印物体在时间维度上发生的形状、性能或功能的变化。通过结合智能材料和外部刺激（如温度、光、化学、水化、磁场），4D打印能够制造出可编程的、动态响应的软组织构建体，从而更好地模仿人体组织的复杂动态特性，为治疗器官损伤、疾病和需要组织再生的衰弱性疾病开辟了新途径。本文综述了驱动4D材料致动的基本原理、在不同功能性软组织类型中的最新应用进展以及未来临床转化所面临的挑战。
2. 4D打印致动的原理
要复制软组织的动态复杂性，需要整合具有刺激响应性的智能材料。利用外部刺激，可以引发构建体的结构或功能变化，从而实现静态结构的功能化。
2.1. 温度致动
温度是最广泛使用的4D刺激之一。通过接触或远程加热，可以使形状记忆材料发生形变。在软组织工程中，最常用的是接触加热。构建体在其玻璃化转变温度（Tg）以上打印，在Tg以下变形为便于植入的形状，当暴露于环境温度（如37°C体温）以上时又能恢复原始形状。热响应性聚合物，如聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm），因其在32°C的低临界溶解温度（LCST）附近发生的亲水-疏水可逆转变而被广泛研究。通过多材料图案化、设计复合材料或引入共价适应网络，可以控制热致动的幅度和速度。立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、材料挤出等多种打印技术已被用于制造温度响应性支架。
2.2. 光致动
光响应聚合物在特定波长光照射下可发生物理或化学变化。聚合物侧链上的偶氮苯、螺吡喃、二芳基乙烯等基团常赋予材料光响应性。光作为一种刺激，可用于控制交联程度、引导细胞生长和行为、以及诱导形状变化。液晶弹性体（LCEs）是常用的光响应材料，例如，含有偶氮苯的LCEs在紫外光下能快速响应。光致动具有按需触发、非侵入性、远程控制和精确空间激活等优点。此外，将金纳米颗粒等光热剂掺入材料，可在光刺激下产生热效应，用于治疗目的（如肿瘤消融）。
2.3. 化学致动
材料可被设计为对生物化学信号（如pH值、离子浓度、生物分子）产生响应，通过渗透力作用发生溶胀或收缩。例如，酶刺激可触发特定反应（如葡萄糖存在时发光或钙化），pH敏感材料可实现按需释放包封的生物化学物质。一个新兴领域是研究由细胞力或内在生物过程介导的软组织时空变化。例如，封装了心脏成纤维细胞的胶原-透明质酸生物材料，在培养过程中通过细胞介导的收缩力可诱导高达42%的管状结构收缩，从而促进心脏组织的成熟和功能。
2.4. 水化致动
水凝胶因其高含水量而与人体组织相似，是制造软组织模型的理想材料。水化是最常见的触发形状变化的外部刺激。通过图案化亲水和疏水网络层，利用材料间不同的溶胀行为差异来驱动形变。藻酸盐因其在钙离子存在下的溶胀行为而常用，可使结构自卷曲。水化致动具有生物相容性好、致动简单等优点，但为了模拟生理致动，常需与其他刺激形式相结合。
2.5. 磁致动
磁场可以通过影响离子移动和分布来影响细胞和组织功能。将含有铁、钴、镍或其氧化物的磁性粒子掺入导电聚合物中，可在磁场刺激下通过粒子排列引发机械致动。磁铁矿（Fe3O4）纳米颗粒是常用的磁性致动源。这项技术对于构建具有电磁敏感性的驱动组织（如心肌、神经或骨骼肌）具有广泛的应用前景。然而，其临床转化需要充分了解磁性纳米颗粒的长期安全性。
3. 4D打印功能性软组织的应用
多种天然和合成生物材料已被用于4D打印软组织，包括明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）、丝素蛋白、藻酸盐、透明质酸、大豆油环氧丙烯酸酯、还原氧化石墨烯（rGO）、PNIPAAm、聚己内酯（PCL）、聚氨酯（PU）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乳酸（PLA）等。结合外部刺激与增材制造技术，推动功能性工程组织的发展。
3.1. 皮肤
皮肤工程的目标是创建具有屏障功能、抗菌性和促进快速愈合的动态响应性皮肤移植物。4D打印技术为此提供了创新方案。例如，一项研究设计了一种DLP打印的温度响应性皮肤贴片，它结合了可降解的PEGDA衍生物（促进组织粘附和降解）、载有姜黄素的Pluronic F127胶束（抗菌作用）和PNIPAAm（热响应致动）。在感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的糖尿病大鼠模型中，该贴片在37°C体温下于14天内使伤口面积减少了97.95%。另一项工作则打印了藻酸盐/还原氧化石墨烯支架，该支架在近红外光刺激下可产生光热效应，具有抗菌活性。4D打印有望通过设计能够模仿组织硬化、弹性和运动等自然变化的生物墨水，加速患者愈合。
3.2. 心血管
4D打印在心肌组织再生和心血管植入物方面显示出潜力。目标是封装功能性细胞到具有机械响应性、生物相容性的生物墨水中，以模仿心脏的复杂曲率。一项研究开发了DLP打印的具有可调曲率的心肌补片，利用形状记忆PEGDA和光触发石墨烯片，在近红外光照射下实现形状转变，从而在弯曲表面实现心肌细胞的均匀分布和排列。另一项研究则开发了可部署、可塑形的人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的心肌细胞嵌入式4D打印心脏补片，可在温度暴露下适应心脏形状。在左心耳封堵器（LAAO）方面，研究开发了由聚乳酸基磁性纳米复合材料制成的生物可吸收LAAO，可在离体猪心模型中通过磁致动快速部署。另一项研究则利用DLP打印了具有形状记忆特性的生物相容性聚合物，制作了个性化的患者特异性LAAO。对于血管再生，4D打印有助于制造小直径血管和复杂的分支血管结构。例如，利用甲基丙烯酸化藻酸盐和透明质酸的溶胀梯度差异，可通过挤出打印制备直径小至20微米的自折叠细胞嵌入式管状结构。另一项工作则制造了可灌注的T形分叉血管模拟物。
3.3. 神经
神经修复需要引导轴突再生和重新髓鞘化。4D打印的神经导引导管可以通过形状记忆效应，在体温下自卷曲包裹神经断端，提供引导和物理支持。例如，有研究利用立体光刻技术打印大豆油环氧丙烯酸酯（SOEA）神经导管，该导管可在体温下恢复预设形状，引导细胞有序排列。另一项研究则结合了聚（L-丙交酯-共-三亚甲基碳酸酯）（PLATMC）和Ti3C2TxMXene，制造了具有导电性的自包裹神经导管，以促进神经修复和血管化。还有工作利用DLP打印了含有还原氧化石墨烯和二氧化硅的复合支架，可通过磁场实现按需生长因子释放，并引导微通道促进轴突生长和再髓鞘化。
3.4. 骨骼肌
骨骼肌工程需要模拟其各向异性的结构和收缩功能。4D打印可用于创建具有定向结构的支架，引导肌管形成和排列。例如，使用GelMA水凝胶通过挤出打印制造了高度有序的肌管结构，并可通过电场诱导成肌细胞对齐。另一项研究则利用熔融沉积建模（FDM）打印的阶梯效应，结合温度响应性材料（聚己内酯三醇和蓖麻油），实现了间充质干细胞（MSC）的定向排列和肌源性分化。
3.5. 结缔组织（肌腱/韧带、膜状组织、脂肪组织）
对于肌腱和韧带，各向异性的纤维排列对于功能至关重要。一项研究将甲基丙烯酸化胶原、黄原胶和链霉亲和素包被的磁性颗粒结合，通过挤出打印和磁场引导，制造了各向异性排列的胶原纤维支架，可引导间充质干细胞向肌腱/韧带谱系分化。在膜状组织（如腹膜、胸膜）工程中，一项研究利用GelMA和化学刺激（分子电荷相互作用）实现了分辨率达65微米的水凝胶收缩。另一项研究则结合了GelMA和二氧化钛纳米点薄膜（TNF），通过光致动和形状变换水凝胶，促进了血管生成和成骨作用。对于脂肪组织工程，有研究利用DLP打印了基于聚碳酸酯的聚氨酯温度响应性多孔可降解支架，其具有低膨胀力，适用于微创手术下的自贴合植入。
总结与展望
4D打印通过整合时间维度和动态响应性，为软组织工程带来了革命性的进步。它使得制造的工程组织能够更好地模拟天然组织的复杂性、功能性和适应性。目前的研究已经在皮肤、心血管、神经、肌肉等多种软组织的功能化构建方面取得了显著进展。然而，要成功实现临床转化，仍需克服诸多挑战，包括提高打印分辨率和速度、开发更广泛的生物相容性刺激响应材料、深入理解材料与生物系统间的长期免疫反应、以及实现大规模、可重复的制造工艺。未来的研究将致力于优化材料性能、整合多重刺激、并推动这些智能构建体在再生医学中的实际应用。
