4D打印双层结构管示意图

1 材料类型与配方设计

生物3D/4D打印技术的核心在于能够对外界刺激（如温度、湿度、光、磁场等）产生响应并发生形状或功能变化的智能材料。以下是主要的材料类型及其配方设计：

1.1 形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers, SMPs）

常用材料：主要包括形状记忆聚乳酸（PLA）、形状记忆聚己内酯（PCL）、形状记忆聚氨酯 以及形状记忆聚碳酸酯。

典型配方（示例）：聚乳酸20-60份，聚己内酯40-80份，并添加增塑剂（如乙酰柠檬酸三丁酯，0.2-1份）、抗氧剂（如四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，0.2-1份）、扩链剂（如苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物，0.2-1份）和润滑剂（如硬脂酸，0.2-1份）。

功能性添加剂：为了赋予材料更多的功能，会添加纳米铁（如纳米四氧化三铁，14-19份）以响应交变磁场，或添加纳米碳酸钙颗粒（35-45nm，1-5份）作为增强材料。

1.2 刺激响应水凝胶

天然高分子水凝胶：海藻酸盐（Alginate）、丝素蛋白（Silk Fibroin, SilMA） 和胶原蛋白（Collagen） 是常用的天然高分子材料。

海藻酸盐：常通过甲基丙烯酸化改性（如AA-MA）使其具备光交联能力，用于DLP打印。其对钙离子（Ca²⁺）敏感，溶胀率可达50-1000%。

丝素蛋白：通过甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）功能化改性得到SilMA，常与羧甲基纤维素（CMC, 0.2-3%） 复合，可见光交联，能在分钟级时间内响应水刺激发生自卷曲。

胶原蛋白：为改善其打印性能，常与黄原胶（Xanthan Gum, XG） 混合（例如Col:XG比例4:1或9:1），并引入链霉亲和素包覆的磁性颗粒（SMP, 0.4 mg/ml） 以实现磁驱定向（4D打印）。

合成水凝胶：如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），具有良好的力学性能和可调性。

1.3 复合材料与功能化改性

1）目的：

通过复合其他材料来弥补单一材料的不足，例如提高打印性能（如粘度、屈服应力）、力学强度、形状变化精度或引入新的刺激响应方式。

2）常见复合体系：

SilMA-CMC复合材料：CMC的加入显著改善了SilMA的流变性能，使其粘度提升300%，打印精度可达±50μm。

PLA/PCL blends：通过辐照交联（剂量15-250kGy）增强其形状记忆效应和力学性能。

藻酸盐-合成聚合物复合：例如与PCL结合，通过近场直写（Melt-Electrowriting）技术制备支撑结构，引导水凝胶的4D变形和细胞定向生长。

下表总结了主流生物3D/4D打印材料的性能指标与配方特点：

常见生物3D/4D打印材料性能指标与配方

2 合成技术与生产工艺

生物3D/4D打印材料的制备涉及精细的化学改性和物理混合过程。

2.1 功能化改性方法

化学接枝改性：这是最常用的方法。例如，丝素蛋白（SF） 通过甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）进行接枝改性，引入双键，获得光交联能力，形成甲基丙烯酰化丝素蛋白（SilMA）。核磁共振氢谱（¹H NMR, δ=5.6和6.1ppm处的特征峰）和傅里叶变换红外光谱（FTIR, 1720 cm⁻¹处新增酯羰基峰）可用于证实接枝成功。

物理共混：将不同性质的材料物理混合，以快速获得综合性能。例如，将胶原蛋白与黄原胶共混以提高粘度，或在PLA/PCL共混物中添加纳米四氧化三铁颗粒以引入磁响应性。

2.2 规模化生产工艺流程

以一种可生物降解的4D打印形状记忆材料为例：

原料预处理：将主要聚合物原料（如PLA、PCL）在真空干燥箱中进行干燥处理（PLA 60-65℃，PCL 40-45℃，干燥6-8小时），去除水分，防止加工过程中水解降解。

物料共混：将所有原料（聚合物、增塑剂、抗氧剂、扩链剂、润滑剂等）按配比投入高速混合机中混合15-20分钟，确保均匀分散。

熔融共混与造粒：混合好的物料通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出（加工温度160-190℃，主机转速150-200 rpm，喂料频率5-8 Hz）。挤出的条状物经过水冷、吹干后，由切粒机切成直径2-4mm的粒子。

粒子干燥：切好的粒子再次在真空干燥箱中干燥（60-65℃，6-8小时），使水分含量低于2 wt%。

打印线材制备：干燥后的粒子通过单螺杆挤出机拉成直径1.75 mm的标准FDM打印线材（加工温度200-220℃，主机转速80-120 rpm）。

辐照交联：对线材进行电子束辐照（剂量15-250 kGy），诱发分子链间交联，增强其形状记忆效应和力学性能。

收卷与包装：辐照后的线材用收卷盘收卷，密封包装，避光防潮储存。

2.3 核心工艺参数与条件

温度控制：各环节温度至关重要。过高温会导致聚合物降解，而过低则混合塑化不良。

剪切力与分散：双螺杆挤出机的转速和螺杆组合影响剪切力，决定了纳米填料（如纳米铁、碳酸钙）的分散均匀性，直接影响材料性能。

辐照剂量：辐照交联的剂量（kGy）是控制交联度的关键参数，影响材料的模量、形状恢复力和恢复速度。

3 性能参数检测与质量控制

建立完善的性能评价体系是确保生物3D/4D打印材料可靠性和重现性的关键。

3.1 性能评价标准框架

参考T/GXDSL 062-2025 《4D打印材料性能评价标准》，其建立了四维评价体系：

基础物性：包括拉伸强度（≥10MPa）、杨氏模量、断裂伸长率等。

刺激响应特性：包括温度灵敏度（≥0.5%/℃）、响应阈值（≤50 J/cm³）、响应时间等。

形状变化性能：包括形状恢复率（≥90%）、驱动应变（对于液晶弹性体≥50%）、变形精度（±100μm）等。

环境适应性：包括在-20℃~80℃ 温度范围内的稳定工作能力、耐疲劳性（形状记忆循环≥100次）、降解速率（0.1-10 mg/day）等。

3.2 关键检测方法与仪器

1) 化学结构表征：

核磁共振（NMR）：用于确认功能化改性是否成功，如观察SilMA中双键的特征峰。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）：用于分析特征官能团和监测交联反应。

2) 热性能分析：

差示扫描量热法（DSC）：用于分析材料的玻璃化转变温度（Tg）、熔点（Tm）、结晶度等。例如，SilMA-CMC复合材料展现出250℃以上的热分解温度。

3) 流变性能测试：

使用旋转流变仪测量墨水的粘度、弹性模量（G'） 和黏性模量（G''），评估其可打印性（粘度范围通常为100-10,000 Pa·s）和剪切稀化行为。

4) 力学性能测试：

万能材料试验机用于测试打印结构的拉伸强度、压缩模量、断裂伸长率等。

5) 形状记忆性能评价：

需要定制化的测试系统，通常集成多场耦合装置（如温控系统，精度±0.5℃）、高精度检测单元（应变测量±0.1%）和动态分析系统（采样频率≥10Hz），以精确记录材料在热、磁、光等刺激下的形状变化过程。

6) 生物性能检测：

细胞相容性：采用活死染色、CCK-8法等评估细胞存活率（要求≥90%）和增殖率。

细胞定向：对于诱导细胞定向生长的支架（如各向异性胶原支架），需要进行细胞培养观察细胞形态和排列。

降解性能：模拟体内环境（如PBS缓冲液），监测材料质量损失、分子量变化及pH值变化。

4 研发与应用的重点难点

尽管生物3D/4D打印发展迅速，但仍面临诸多挑战。

4.1 技术研发难点

1) 材料性能的平衡与优化：

打印性与功能性的矛盾：高生物活性的材料（如纯胶原）往往打印性差，需要添加增稠剂（如黄原胶），但这可能影响其生物功能。反之，打印性好的材料生物活性可能不足。

强度与降解速率的匹配：理想的组织工程支架需要在初始阶段具有足够的力学强度以支撑组织再生，其降解速率又需与新组织生成速率相匹配。同时调控这两者极具挑战性。

2) 4D打印的精确控制：

变形预测与编程：材料在刺激下的变形行为复杂，受材料组成、结构设计、打印路径、刺激场分布等多因素影响。精准预测和编程复杂的4D变形是目前的核心难题。

多刺激响应与协同控制：如何设计对多种刺激（如光磁、光热）响应并能协同控制其变形过程的材料系统，仍处于探索阶段。

3) 血管网络与多细胞结构的构建：

构建具有功能性血管网络的厚组织或器官是生物打印领域的“圣杯”。如何通过打印实现复杂三维血管网并使其与宿主血管快速吻合，是阻碍大型组织构建的关键瓶颈6。

4.2 产业化应用难点

1） 标准化与质量控制的缺失：

虽然已有T/GXDSL 062-2025等团体标准出台49，但生物3D/4D打印在材料、工艺、设备等方面的国际标准仍不完善，导致不同实验室和研究机构之间的结果难以比较和重复，阻碍了临床转化。

2） 成本与效率问题：

高端生物打印机和专用生物墨水价格昂贵，动辄上百万元人民币。打印效率相对较低，尤其对于高精度复杂结构，打印时间可能长达数小时甚至数十小时，对细胞活性保持构成挑战。

3） 监管与审批挑战：

含有活细胞的产品作为“高级治疗医学产品（ATMP）”，其监管审批路径复杂、要求严格。4D打印产品因其动态特性，更需要全新的评价体系和监管标准，这对其走向临床构成巨大挑战。

4） 长期安全性与功能验证：

打印的组织或器官在体内的长期安全性（如降解产物的影响、免疫反应）、功能整合情况以及4D变形在体内的不可控风险等，都需要经过大量长期的临床前研究和临床试验来验证。

5 未来发展趋势

人工智能与机器学习：利用AI和机器学习优化打印参数、预测4D变形行为、加速新型生物墨水的设计与开发，并用于处理复杂的打印过程监测数据。

新型生物墨水开发：开发具有更高生物活性、更强力学性能、更复杂响应能力的新型生物墨水仍是核心方向。例如，旨在更好地模拟细胞外基质的动态和生化特性。

多技术融合与创新：将生物打印与类器官技术、器官芯片、基因编辑等前沿技术结合，用于疾病建模、药物筛选和个性化治疗。

标准体系的完善：推动建立国际公认的生物3D/4D打印材料、设备、工艺和产品的标准与评价体系，是产业化和临床转化的关键保障。

光交联凝胶AA-MA的力学性能

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