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一、研究作者、机构及发表信息

该研究由Jiahui Lai、Tiandi Xiong、Shangsi Chen、Zhilong Zhou、Jun Liu、Boguang Yang、Rocky S. Tuan以及Zhong Alan Li等学者共同完成。研究团队主要来自香港中文大学生物医学工程系、香港科学园InnoHK神经肌肉骨骼再生医学中心、香港中文大学组织工程与再生医学研究所以及香港中文大学信兴高等工程研究所。该论文以研究文章的形式发表于Advanced Science期刊，在线发表时间为2025年7月15日，DOI为10.1002/advs.202509449。通讯作者为Rocky S. Tuan与Zhong Alan Li。

二、研究背景与研究目标

本研究属于4D生物打印与组织工程交叉领域。3D生物打印已显著提升工程化构建组织的能力，但天然组织具有动态时空重塑特性，这促使了4D生物打印的发展，即通过在3D生物打印基础上引入时间维度，使载细胞结构在打印后能通过水、温度或磁场等刺激实现可编程的形状或功能变化。然而，当前4D生物打印面临智能生物墨水选择有限、打印路径设计复杂、多材料系统需求高以及难以实现多方向弯曲等挑战。已有策略多依赖紫外吸收剂、光掩模或多层形状记忆聚合物材料，制造流程复杂且难以规模化。另一方面，天然组织常具有多向曲率和复杂折叠形态，单一方向的弯曲难以满足组织工程对复杂几何结构的需求。

为解决上述问题，该研究开发了一种由明胶、甲基丙烯酰化明胶和MXene组成的MX/GG复合智能水凝胶，并提出了基于厚度调控的简便4D打印策略。研究目标包括：验证MX/GG水凝胶的可打印性和形状变形能力；阐明厚度依赖的弯曲机制；利用有限元分析指导打印设计；实现单方向和双方向弯曲的仿生结构制造；以及验证载细胞的4D生物打印可行性及细胞功能。

三、研究流程与实验方法

研究流程可大致分为五个阶段。第一阶段为MX/GG水凝胶的制备与表征。研究者首先合成GelMA并通过核磁共振氢谱验证其结构，同时通过紫外-可见-近红外吸收光谱、X射线衍射、拉曼光谱、透射电子显微镜和扫描电子显微镜等方法确认MXene的质量和层状结构。随后将不同浓度（0、0.1、1、5 mg/mL）的MXene与明胶和GelMA混合制备MX/GG水凝胶，并系统考察了MXene含量对水凝胶光吸收能力、储能模量、杨氏模量、溶胀率、孔径、孔隙率、降解性及导电性的影响。样品为直径约10毫米、厚度约5毫米的圆盘或15毫米×3毫米×0.5毫米的条带，每组实验样本量以n=3为基本标准。

第二阶段为可打印性评估。研究通过流变学测试了MX/GG墨水的剪切粘度和储能/损耗模量，观察了油墨的倒置稳定性，并用挤出式3D生物绘图机制备了单层网格、多层网格、堆叠方形、管状和小管状网格等多种结构，通过宏观照片和扫描电镜分析结构保真度。

第三阶段为形状变形行为研究与机制阐明。研究者制备了固定尺寸的水凝胶条带，系统考察了GelMA浓度、紫外交联时间、光引发剂浓度、MXene含量、溶液类型及温度对弯曲角度的影响。通过扫描电镜观察了冻干水凝胶的上表面、下表面和截面微观结构，确认了高交联区和低交联区的形成。纳米压痕技术被用于力学性能的截面分布测定。此外，研究者将交联后的MX/GG水凝胶条带简化为由高交联区层和低交联区层组成的双层结构模型，使用ABAQUS有限元分析软件结合自定义用户单元子程序进行耦合扩散-变形模拟，以验证自弯曲行为机制。

第四阶段为厚度调控行为与复杂结构4D打印。研究者制备了厚度分别为0.25、0.5、0.75和1.0毫米的长条状打印件，浸入去离子水后记录弯曲方向和角度。利用荧光法观察了打印件截面内的荧光强度梯度，并通过扫描电镜和纳米压痕获取了微观结构和弹性模量分布。基于实验结果，建立了以高交联区/低交联区比例变化为核心的有限元模型，模拟了不同厚度条带的弯曲行为。随后确立了CAD建模→有限元模拟优化→切片→挤出打印→单次紫外照射→湿度刺激形状转变的标准4D打印流程。基于该流程打印了三臂抓握器、四臂抓握器、五瓣花等单向弯曲结构，以及珊瑚虫状、马陆状、螃蟹状和蝎子状等双向弯曲仿生结构，并将有限元预测结果与实际变形进行对比验证。

第五阶段为载细胞4D生物打印。研究选用了PC12神经细胞模型和人脐静脉内皮细胞模型。首先评估了MXene对细胞毒性、增殖和细胞-水凝胶相互作用的影响，使用活/死染色和CCK-8实验检测细胞活力与增殖。随后将PC12细胞与1.0MX/GG墨水混合，打印网格及自折叠条带结构，在分化培养基中培养7天和14天，通过共聚焦显微镜观察神经突生长情况。人脐静脉内皮细胞负载的条带在培养14天内记录弯曲角度变化，并通过Hoechst、F-actin和VE-cadherin免疫荧光染色分析内皮细胞形态转变和血管网络样结构的自组织。

数据统计分析采用单因素方差分析，数据以均值±标准差表示，以p<0.5为显著性判断标准。

四、主要实验结果

材料表征结果显示，MXene的加入提高了GG水凝胶在330至1000纳米波段的吸光度，其中5.0MX/GG水凝胶吸光度最高。随着MXene浓度增加，水凝胶的储能模量和杨氏模量有所降低，但溶胀率、孔径和孔隙率均增大。导电性测试显示，MXene的掺入使水凝胶导电性显著提升，表现为LED灯亮度更高。在可打印性方面，所有MX/GG墨水均表现剪切变稀行为和类凝胶态稳定性，可挤出为细丝并成功打印多层网格及多种立体结构，显示出良好的自支撑能力。

在形状变形研究中，弯曲角度随GelMA浓度增加、紫外交联时间延长和光引发剂浓度增加而减小，但MXene含量增加能增强折叠行为。去离子水和磷酸盐缓冲液中的弯曲曲率高于细胞培养基，37°C条件下弯曲角度小于24°C。5.0MX/GG水凝胶条带在室温孵育两周内弯曲角度保持稳定。扫描电镜证实条带上表面网络更致密，下表面更疏松，截面呈现从高交联区到低交联区的梯度分布。有限元双层模型模拟的自弯曲形状与实验结果高度吻合。

厚度调控实验显示，0.25毫米和0.5毫米薄条带与0.75毫米和1.0毫米厚条带的弯曲方向相反。截面分析表明，薄条带中高交联区占优，而厚条带中低交联区占优。高交联区刚度较高时，薄条带向较薄且软的低交联区弯曲；当厚条带中低交联区占优时，低交联区的溶胀促使条带向高交联区弯曲。有限元模拟重现了这一方向转变。

在复杂结构打印中，有限元模拟成功预测三臂、四臂抓握器和五瓣花的单向弯曲，并指导了珊瑚虫状（身体成环、足部外展）、马陆状（身体上拱、足部下弯）、螃蟹状（身体和螯部弯曲较小、足部下折）和蝎子状（触肢和尾部上弯、足部下折）等双向弯曲仿生结构的制作，实验变形结果与模拟一致。

细胞实验表明，1.0MX/GG水凝胶对PC12细胞具有较高的细胞活力，优于GG和0.1MX/GG组，归因于MXene的紫外屏蔽作用。PC12细胞在4D打印自折叠条带中均匀分布，经7天和14天分化培养后神经突长度和分支密度显著增加。人脐静脉内皮细胞负载的条带在14天培养中弯曲角度持续增加，细胞由早期圆形形态逐渐铺展，VE-cadherin表达上调，并形成血管网络样结构。

五、研究结论

本研究开发了MXene增强的明胶/GelMA复合智能水凝胶，证明了其优异的可打印性、形状变形能力和生物相容性。通过简单的厚度调控与单次紫外照射即可实现可编程的交联梯度，无需多材料系统或光掩模。有限元分析能够有效指导CAD设计的形状变形预测。该策略成功制造了单方向和双向弯曲的多种仿生结构，如五瓣花、珊瑚虫、马陆、螃蟹和蝎子等。载PC12细胞和HUVEC细胞的自折叠条带在培养中维持高细胞活力并支持神经分化与血管网络样自组织。研究证明MX/GG水凝胶不仅能作为被动支架，还能在动态结构演化中提供力学信号，参与组织形态发生过程。

六、研究亮点

本研究的主要亮点在于：其一，提出了基于厚度控制的单纳米复合水凝胶4D打印策略，利用单次紫外照射产生空间交联梯度，实现从单轴到双轴弯曲的可编程形状转变，显著简化了现有4D打印流程。其二，通过实验与有限元分析相结合，建立了可靠的从CAD设计到可预测形状变形的标准化工作流程。其三，系统阐明了高交联区/低交联区面积比例决定弯曲方向的机制，为厚度调控策略提供了理论支撑。其四，验证了载细胞4D生物打印的可行性，并展示了神经与血管相关的细胞功能，为该策略向组织工程和再生医学转化提供了概念验证。

七、其他有价值内容

研究还讨论了该策略的多方面局限性，包括水触发机制限制其只能应用于水环境、挤出式打印的分辨率受喷嘴尺寸制约、紫外光对细胞的潜在损伤、以及MXene长期体内毒性和生物降解性能尚需深入验证。在经济性方面，明胶成本低，GelMA合成成本也较低，虽然MXene相对昂贵但使用浓度仅为1 mg/mL，且该策略只需普通挤出式打印机即可完成，具有较低的设备和材料成本。作者还展望了基于患者CT或MRI数据结合有限元设计进行个性化4D生物打印临床应用的可能性。