综述：用于肌肉骨骼组织再生的刺激响应型4D生物打印结构：形态变化机制、负载细胞的生物墨水工程以及临床前研究结果

《Regenerative Therapy》：Stimuli-responsive 4D-bioprinted constructs for musculoskeletal tissue regeneration: Shape-morphing mechanisms, cell-laden bioink engineering, and preclinical outcomes

　　

Suleiman Ibrahim Mohammad | Asokan Vasudevan | Jasgurpreet Singh Chohan | Ahmed Fekry Salman | Manveet Singh | Ripendeep Singh | Pardeep Singh Bains | Parvoz Abdulkhakimov | Mohammad Ebrahim Astaneh | Narges Fereydouni

摘要

引言

肌肉骨骼疾病给全球带来了沉重的残疾负担。传统的3D生物打印技术无法再现骨骼、软骨、骨骼肌和心肌的动态各向异性结构。四维（4D）生物打印技术通过将响应刺激的材料整合到构建体中，实现了植入后的程序化形状变换和适应性行为，从而解决了这一问题。

方法

本综述探讨了关于响应刺激的4D生物打印肌肉骨骼构建体的主要实验研究，这些研究基于来自领先同行评审期刊的体外、体内及结合实验的结果。

结果

研究证据涵盖了四种刺激方式：磁驱动、近红外（NIR）光热响应、热响应的膨胀-收缩转变以及形状记忆聚合物（SMP）的恢复作用，这些方法应用于骨骼、软骨、骨骼肌和心肌构建体。从丝素纤维蛋白-明胶复合材料和海藻酸-多巴胺墨水到基于GelMA的水凝胶以及聚酯SMPs的生物墨水配方，在可打印性、形状保真度和细胞相容性之间存在权衡。跨研究综合分析表明，硬度变化轨迹、结构各向异性和动态变形是决定细胞命运的主要机械生物学因素。临床前研究表明，这些构建体在骨化和软骨生成方面取得了积极成果，但仍未达到天然组织的机械性能标准。

结论

转化应用面临的障碍包括基本的物理限制（如机械性能差距和刺激穿透深度限制），以及可以通过渐进式工程手段解决的挑战。被动水合驱动的部署策略在临床上最具可行性，而同时具备响应刺激性、生物活性因子释放和细胞导向表面化学特性的多功能生物墨水，则代表了材料开发的主要方向。