4D打印用水凝胶在植入性医疗器械领域的研究进展

【作 者】刘若锦，王丽，刘华，李挥，秦青，邢娣娣

河北省药品医疗器械检验研究院，石家庄市，050227

0 引言

植入性医疗器械一般是指种植、埋藏、固定于机体受损或病变部位，用来支持、修复、替代其功能的一类特殊医用消耗性材料，具有维持生命、修复功能的特殊作用[1]。通常植入性医疗器械分为有源植入性医疗器械和无源植入性医疗器械。如膝关节假体和乳房植入物为无源植入性医疗器械，起搏器和除颤器则为有源植入性医疗器械。

由于植入性医疗器械特殊的使用环境，必须根据其在人体中不同的功能和所处的环境来满足不同的需求[2]。随着新材料和新技术的发展，越来越多的植入性医疗器械正在被研究和开发。

1 4D打印技术

3D打印技术，由计算机模型指导，通过切割缺陷区域的磁共振或数字图像获得横断面数据，采用自上而下的方法进行打印的技术[3]。因其价格低廉、易于快速转化实物等优点，正在发展成为一种先进的生物制造技术[4-5]，在植入性医疗器械领域已显示出巨大的潜力[6]。

然而，3D打印的结构多为简单的几何形状，通常使用单一的材料，缺乏强度和功能[7]，仅考虑了被打印对象的初始状态，并且假定这种状态不会改变，即它是处于静止状态的[8]。而植入性医疗器械需要长期在人体中代替组织器官。人体组织具有复杂三维结构，并且通过组织构象的动态变化来实现独特的功能。这种构想的动态变化，绝大多数是由内在机制引起的。因此，对于3D打印而言，无法模拟人体的内在机制[9]。

2013年，来自麻省理工学院的TIBBITS[10]在TED会议上提出了4D打印的概念。4D打印，是指采用3D打印加工所得的三维物体，在特定的环境和刺激下，其物理特性及功能可以随时间的变化而发生变化[11]。与3D打印技术相较，4D打印技术将“时间”概念作为第四维度，即打印结构的形态、属性或功能随时间的变化[8,12]。4D打印技术可用于制造3D设计的具有生物活性结构，根据不同的时间需求可实现动态变化，解决了3D打印的局限性[9]。

4D 打印技术是通过使用软活性材料（SAMs）打印三维几何图形来实现的，这种材料可以根据外部刺激以一种预定义的方式随时间主动改变状态[13-14]，因此响应材料是4D打印中最重要的因素[3]。目前，主要用于实现4D打印的SAMs有两种：水凝胶[15-16]和形状记忆聚合物（SMP）[17-18]。其中，由交联聚合物网络组成的水凝胶在受到外界刺激时，往往会通过溶剂扩散产生溶胀。而对水凝胶起作用的刺激有多种类型，可以是物理刺激、化学刺激或者是生物刺激等。

对于植入性医疗器械而言，4D打印技术可以在微米尺度操作，可以制备更适用于人体的生理结构[19]，被认为是植入性医疗器械进一步发展的平台[20]。

2 4D打印用水凝胶

利用水凝胶在水中的各向异性溶胀行为，实现了水凝胶的4D仿生打印[21]。水凝胶打印结构的尺寸大多在毫米级别，形状转化需要几分钟至数小时[22]。它易于合成，具有生物相容性高、韧性可调、含水量高、成本低等优点，是很有前途的生物医学材料，广泛应用于植入性医疗器械领域。

2.1 温度响应水凝胶

温度是生物打印结构中实现材料变形最常用的物理刺激[24]。当环境温度低于低临界溶液温度时，聚合物链发生伸展，转变为溶液相；当温度高于低临界溶液温度时，聚合物链的收缩会使聚合物变成凝胶状态。

在含有锂皂石的琼脂糖基质中，通过原位聚合丙烯酰胺可制备4D打印水凝胶[25]。该材料可实现可逆加热软化和冷却硬化，能够做出三维结构，并能转变成不同的形状（图1(a)）和（图1(b)）。鲸鱼模型在95oC的烤箱中放置15 min后，会显著软化，而随后在冷水中放置60 s则会迅速硬化。对于章鱼的水凝胶模型亦是如此。锂皂石层可赋予材料剪切减薄的特性，使其在打印后易于挤出，且具有优异的形状稳定性。这项工作创造了更复杂的三维结构，具有良好的生物相容性，可以满足高分子领域的广泛应用，特别是生物医学需求，如生物支架、传感器、软机器人和医疗器械等领域。

图1 4D凝胶打印的产品Fig.1 4D printing product printed by 4D ink

受珊瑚虫的启发，LIU等[26]设计了一种具有对称性的双功能管状体，并且通过分段设计的活性凝胶（N-异丙基丙烯酰胺，NIPAM）和非活性凝胶（N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，AAM）的几何排布实现单轴伸长、径向扩展、弯曲，并可以抓住物体。通过将两种油墨装入双喷嘴3D打印机，经过离心除去气泡，并充分水化后进行3D打印，在旋转式紫外光固化台上确保交联固化，即可得到目标产品，如图2所示。通过热诱导，该方法制得的管状凝胶，可以伸长、弯曲或增大尺寸以适应周围组织生长的影响，在儿科组织用血管植入物具有极大的应用价值。

图2 4D打印的活性和非活性水凝胶管膨胀的工艺原理[26]Fig.2 Schematics of the 4D printing process and experimental characterization of the swelling of printed active and passive hydrogel tubes

2.2 磁响应水凝胶

磁性响应材料是由铁磁体或顺磁性纳米颗粒（MNPs）组成，它们可以响应磁场[27]。调整聚二甲基硅氧烷（PDMS）和铁（Fe）纳米颗粒的混合比例，通过机械搅拌30 min，得到分散性良好的PDMS/Fe混合体系，该体系可用于4D打印复合油墨系统的直接书写（见图3）[28]。PDMS是一种弹性体，在复合油墨中作为柔性基体成分，保证材料的形态恢复。而铁纳米粒子具备低抗磁力和高介电常数，通过外部磁场的开启或关闭，快速获得或失去强磁性。因此，该PDMS/Fe复合材料制备的三维结构可以在不均匀的外部磁场环境下相应地改变其形状，当外部磁场消失时，其形状可恢复。该材料在生物医学设备、智能纺织品等领域有着广阔的应用前景。

图3 油墨制备到书写的实验过程[28]Fig.3 Experimental process from the ink preparation to the direct-writing process

软组织损伤很常见，如果不及时治疗，会引起疼痛、组织肿胀甚至畸形，为了更好地治疗效果，可将药物治疗和脉冲电磁场治疗相结合[29]。ZHANG等[29]通过四聚乙二醇/琼脂和Fe3O4纳米粒子成功制备出磁响应水凝胶。首先利用四聚乙二醇/琼脂构建了水凝胶网络（PA），再加入Fe3O4纳米粒子，以实现了该体系的磁性响应特性。细胞毒性和体内研究表明，PA/Fe3O4水凝胶具有良好的生物相容性，加入Fe3O4可有效实现磁响应。最后，体内研究表明，负载双氯芬酸钠（DS）的PA/Fe3O4水凝胶体系，在调谐磁场的作用下，Fe3O4一方面会来回晃动，以加速药物释放；另一方面产生热量改变网络结构，在损伤软组织的恢复方面表现更好（见图4）。因此，这种磁性响应的水凝胶是一种有效治疗软组织损伤的替代方法。

图4 四聚乙二醇/琼脂水凝胶/Fe3O4/DS（PA/Fe3O4/DS）系统用于软组织损伤的协同治疗的原理图[29]Fig.4 Schematic for formation of tetra-PEG/agar hydrogel/Fe3O4/DS(PA/Fe3O4/DS) system for the synergetic therapy of soft tissue injury

模仿天然组织的胶原特征，是设计新组织或组织模型时需要考虑的一个重要方面。为此，开发了一种基于磁性来调整胶原纤维分布的新方法，使4D打印生物油墨满足胶原的特性[30]。该方法在不同浓度的低温凝胶琼脂糖和I型胶原中嵌入链霉亲和素包覆的纳米铁颗粒。当纳米铁微粒与琼脂糖水凝胶的最大比例为0.5 g/100 mL时，可实现胶原纤维的有序分布。反之，铁含量浓度越高，在可印刷共混物中的琼脂糖中胶原纤维随机分布越好。有序排列的胶原纤维水凝胶具有更高的压缩模量。通过生物打印制造了纤维有序分布与随机分布交替的结构（见图5），该结构具有软骨形成潜力，可在软骨组织工程领域得到应用。这些结果充分表明了该方法制造的生物油墨在组织工程、个性化植入性医疗器械领域具有广阔的应用前景。

图5 具有双层（纤维有序排列和随机排列）结构的4D生物打印样品[30]Fig.5 4D-bioprinted sample with two layers(random and aligned fibers)

2.3 pH响应水凝胶

在含水环境中，pH响应水凝胶在特定pH值下溶胀，在另一特定的pH值下收缩。NADGORNY等[31]利用聚（2-乙烯基吡啶）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）制得了pH响应水凝胶。首先利用热熔挤压聚（2-乙烯基吡啶）（P2VP）的方法生产长丝，再通过添加质量百分数为12%的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS），增强了P2VP纤维的力学性能和加工性能。此外，该P2VP水凝胶还可以实现与金属前体配位，可以避免打印过程中有害化学物质的使用，在不影响反应的分离和回收效率的前提下，减少了使用催化剂所需的时间和成本（见图6）。

图6 P2VP水凝胶的制备过程、pH 响应形态变化和催化效果示意图[31]Fig.6 Schematic diagram of preparation process,pH response morphological change and catalytic effect of P2VP hydrogel

目前，如何实现4D打印对刺激响应的组件微尺度和高响应速度仍然是一个重大的挑战。采用聚乙烯吡咯烷酮和丙烯酸为原料，利用飞秒激光直写技术（图7(a)）成功制备出4D打印用微型仿生pH响应水凝胶[22]。由于丙烯酸中的羧酸基团在不同的pH值下对质子产生吸引或者排斥，因此通过pH引发，水凝胶网络结构可以完成膨胀、收缩和扭转等多自由度的形状变换（图7(b)）。4D打印的尺寸结构在微米尺度（＜102μm），响应速度降低到亚秒级（＜500 ms），成功提高了水凝胶的尺度精度和高响应速度。该材料在软机器人、精密传感器到药物输送和生物医学设备等各方面的潜在应用存在极大的可能性。

图7 水凝胶的激光打印和pH触发的形变图Fig.7 Laser printing and pH-triggered expansion and contraction properties of the hydrogel

2.4 离子响应水凝胶

目前生物打印技术面临的最大挑战是打印空管结构。利用甲基丙烯酸酐（MA）分别对海藻酸盐（AA）和透明质酸（HA）改性，制得的AA-MA和HA-MA。第一步，将没有活细胞或有活细胞的AA-MA或HA-MA聚合物溶液打印到玻璃或苯乙烯的曲面衬底上，并且溶液中含有用于下一步绿光交联的光引发剂；第二步，印刷膜经过绿光（530 nm）交联制得薄膜并适度干燥；第三步，交联膜浸入水中、磷酸盐缓冲液（PBS）或细胞培养基后立即折叠成管，即可得到空管结构（见图8）[32]。薄膜的形状变化以秒为单位。并且，如果印刷液中含有活细胞，这些细胞会均匀分布在折叠后的空管管壁上。该交联薄膜发生展开或者折叠，取决于钙离子的存在与否（见图9）。在钙离子的诱导下，制得的空管结构会完全展开；而浸入0.1 mol/L的EDTA溶液中，EDTA络合钙离子，薄膜重新折叠成管状。制备的管状物的直径可以进行精细控制，并具有高分辨率。与小鼠骨髓基质细胞建立模拟系统，发现4D打印制造过程不会对细胞的生存能力产生任何负面影响，该自折叠水凝胶管可至少支持细胞生存7 d，不会降低细胞的生存能力。该新方法为组织工程和再生医学领域制备个性化产品提供了基础架构。

图8 自折叠水凝胶管的4D生物制备方案[32]Fig.8 Scheme of the 4D biofabrication of self-folding hydrogel-based(cell-laden) tubes

图9 AA-MA管的离子响应性[32]Fig.9 AA-MA tube responsiveness

2.5 多重响应水凝胶

为了满足产品形状变化的复杂性，制备多重响应水凝胶是目前的研究热点之一。通过丙烯酰胺和甲基丙烯酸丁酯共聚物（PG）、丙烯酰胺和甲基丙烯酸丁酯共聚物与甲基丙烯酸复合材料（BG-1）、丙烯酰胺和甲基丙烯酸丁酯共聚物与聚异丙基酰胺复合材料（BG-2）可分别获得不同的平面凝胶板，其中矩形水凝胶板的厚度为0.44 mm，BG-1和BG-2的条纹分别定向在凝胶板长轴的90o和0o处[33]。使用光刻方法，将多个不同组分的小尺度结构组合在一起，通过对每个组分都分别被编程可实现响应特定的刺激。由于温度、pH值、离子强度条件的变化，凝胶片的不同区域产生了位置特异性的膨胀或收缩，从而在其内部产生了局部内应力。由于整个凝胶片各组分之间相互独立，每个结构部件都响应一个特定的外部刺激，应力的累积导致了平面薄板的独特形状转换，并且对外界刺激发生协同反应，最终通过聚合物之间的相互结合来实现三维形状转变。当pH=4.0、[NaCl]=0 mol/L时，均为PG和BG-2区域呈溶胀状态，BG-1区域未溶胀，凝胶板呈平面状；当pH=9.5、[NaCl]=0 mol/L时，BG-1区域溶胀，BG-2和PG区域保持不变，凝胶板形成一个长圆柱体；当pH=4.0、[NaCl]=1.5 mol/L时，BG-2区域收缩，PG和BG-1区域的尺寸与原水凝胶片相同，凝胶板材呈鼓形（见图10）。这项工作为制备多响应产品铺平了道路，在软机器人、驱动和医用传感方面有潜在的应用价值。

图10 复合凝胶板的多重形状变换[33]Fig.10 Multiple shape transformations of the composite gel sheets

3 总结及展望

随着新方法、新材料的不断地开发和改进，4D打印作为一种新技术应运而生。它利用智能材料设计结构，不仅具有响应外界刺激的变形能力，而且还具有可预测性，易于监控。这使得智能打印可以通过设计结构中特定的形状变化而应用于植入性医疗器械领域。伴随着水凝胶新材料的不断开发，新技术的不断探索，促进了植入性医疗器械领域的重大进步。4D打印不仅能够为病患提供个性化的医疗服务，还能极大地减轻痛苦，有效提高病患的生存质量。当然，也存在一些亟待解决的问题。

首先，适用的水凝胶类智能材料不多，价格相对偏高。材料既需要满足4D打印的响应要求，又需要考虑植入性医疗器械特殊的使用环境。如需考虑人体体温、生物相容性等因素。其次，现在对各种响应机理的研究还不够深入和系统。再次，现在多集中于产品的理论设计和机械性能研究，缺乏临床试验支撑。如何将4D打印用水凝胶制造的植入性医疗器械投入到临床使用是今后重要的研究方向。最后，多模式多组分的复合4D材料用水凝胶亟待研发，相应的4D打印技术亟待改进。更为重要的是，如何保证4D打印个性化水凝胶植入性医疗器械的可靠性和安全性，怎样建立质量评价机制以及相关的评审手段，值得我们监管部门深入思考。

相信随着新型智能材料和增材制造技术的发展，未来4D打印用水凝胶在植入性医疗器械领域的应用潜力将会最大化，会带来更大的经济效益和社会效益。