可收缩和可膨胀（生物）材料具有使得尺寸/形状变化的独特特性，因此在（生物）制造领域，尤其是精细结构的构建方面具有强大潜力，为其在生物医学中的应用提供了更多的可能。近期，来自哈佛医学院的Y. Shrike Zhang团队受邀在Advanced Healthcare Materials杂志即将出版的10周年专刊上发表了题为“Engineering (Bio)Materials through Shrinkage and Expansion”的综述文章。该综述总结了可收缩和可膨胀的（生物）材料的响应机制，并详细阐述了两类材料在生物医学领域的研究进展及其相关的生物医学应用。

代表性的收缩/膨胀机制

  研究人员首先从材料学的角度总结了可膨胀和可收缩材料的最具代表性的响应机制，包括由于pH响应、温度响应、溶胀、静电相互作用、纳米颗粒或后交联引起的尺寸/形状变化的方法。图1总结了这些方法和一些具有代表性的应用研究。

图1. （生物）材料的收缩和膨胀策略及相关应用

可收缩材料的应用

  1. 可收缩材料应用于再生医学及组织或疾病建模

  作者团队报道了利用基于阴离子水凝胶甲基丙烯酸化透明质酸 (HAMA)的生物墨水进行3D打印，打印后浸入2.0% (w/v)的壳聚糖溶液中24小时。该过程使得水凝胶的高度和直径缩小了约61%，体积缩小了21%。牺牲打印构建的血管结构中显示，在相同的收缩条件下，制造的微通道从39 μm收缩到10 μm，该尺寸接近单毛细血管的尺寸。

图2. 可收缩材料用于微小血管结构的制造

  2. 利用可收缩材料进行体外诊断的研究

  有研究利用3D打印制造出光子晶体结构，能够通过光学干涉效应反射颜色，并引入了收缩的方法，通过控制加热时间来精确微观结构从而控制反射颜色。结果显示收缩后晶格常数小至280 nm，可与蝴蝶翅膀尺度中最精细的周期性相媲美，并且比机器能到达的尺度小两倍。这些发现确定了使用3D打印与标准方法同时达到超高分辨率的可能性。进一步的研究中利用收缩着色的方法成功制造出具有微观复杂构造的3D结构。打印的埃菲尔铁塔其高度可小至39 μm，从而能够精确控制输出光的波长和偏振，成功克服了打印中微观尺度分辨率不足的限制。

图3. 可收缩材料应用于诊断

  3. 基于可收缩材料的微、纳加工技术

  Boyden及其同事建立了一种新型3D纳米制造方法，称为ImpFab，通过该策略实现了纳米级的 3D结构制造。他们利用聚丙烯酸酯/聚丙烯酰胺作为支架材料，可以通过酸或二价阳离子诱导的收缩将其缩小到纳米级尺寸。由于荧光素光漂白产生的自由基反应，活化的荧光素分子与水凝胶内的活性丙烯酸酯基团交联。在 ImpFab中，携带 DNA、蛋白质、小分子或纳米粒子的荧光分子通过双光子光刻沉积到水凝胶基质中，收缩获得功能性 3D 纳米结构，其线性尺寸可缩小至原本的10倍。

图4. 基于可收缩材料的纳米加工技术

  4. 4D打印与可收缩材料

  Lewis课题组的研究开发了一种多材料 4D打印平台，用于创建弯曲的几何形状。该打印中使用的墨水由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃短纤维和气相二氧化硅组成。其中PDMS作为基础弹性体实现各层之间的粘合，同时加入短玻璃纤维来降低热膨胀性，并且添加气相二氧化硅以促进墨水的流变性能。研究通过调节交联密度来调节墨水的热膨胀系数，从而精确控制形变。

图5. 基于多材料收缩控制的 4D 打印

可膨胀材料的应用

  1. 可膨胀材料应用于组织和组织模型工程

  作者团队最近的一项研究利用膨胀的方式将微通道嵌入纸装置中。研究首先使用基质辅助 3D打印制造了一个可灌注的微通道结构，其周围环绕着密实的细菌纤维素纳米纤维。利用精确控制不同浓度和浸泡时间的NaBH₄的气体发泡策略达到精确控制气体发泡的目的，使得周围多孔结构可以调节，同时保持了微通道的完整性。细胞实验结果表明该方法能够为细胞浸润和相互作用提供更大的空间。这项研究建立了一个有效的制备血管化组织模型的策略，并在临床前药物筛选中展示了巨大的应用潜力。

图6. 牺牲打印纸装置的制作和膨胀过程

2. 可膨胀材料在药物递送中的应用

  Wu及其同事开发了一种固定有量子点的混合水凝胶，由壳聚糖-聚甲基丙烯酸组成。该水凝胶在不同的 pH 值下表现出特异性的膨胀性能。这种膨胀现象归因于内部渗透压引起的静电排斥的重新分布。这种混合纳米凝胶的相体积转变行为能够影响带电负载剂以不同的 pH值释放到周围环境中。同时替莫唑胺作为一种优良的抗肿瘤药物，在肿瘤部位的酸性条件下比在自然环境中释放得更快。因此，该递送系统表现出显着的抗肿瘤功效，孵育24小时后黑色素瘤细胞的存活率降低了70%以上。此外，锚定在水凝胶链上的负载量子点提供了对肿瘤细胞进行生物成像的可能，能够作为细胞诊断的成功的标志。

图7. 可膨胀材料在药物递送中的应用

  3. 基于可膨胀材料的成像技术

  与 ImpFab过程相反，Boydon课题组利用可膨胀聚合物从物理上扩展细胞和组织结构，利于细胞和组织的成像，该过程被称为膨胀显微镜 (ExM)。具体的操作分为标记、凝胶化、消化、膨胀和显微成像。研究结果表明，水凝胶在水中膨胀后能达到4.5倍的线性膨胀。基于最初的ExM方法，还提出了一系列相关的膨胀水凝胶在成像中的应用。例如，蛋白质保留ExM（proExM）将蛋白质锚定到可溶胀聚合物上进行膨胀成像。以及将膨胀显微镜应用在原位RNA成像中（ExFISH）等。

图8. 膨胀成像技术

  4.可膨胀材料在4D打印中的应用

  受到植物系统的启发和基于水凝胶溶胀的特性，Lewis课题组探索了打印模拟植物细胞壁的含有纤维素原纤维的水凝胶墨水的可能性。该研究中的墨水由 N, N-二甲基丙烯酰胺、纳米原纤化纤维素、纳米粘土、葡萄糖氧化酶、葡萄糖和光引发剂组成。打印结构的膨胀可以通过调节纤维素原纤维的方向控制，即当嵌入同向排列的原纤维时膨胀增加。

图9. 可膨胀材料在4D打印中的应用

  总的来讲，可收缩和可膨胀（生物）材料具有使得尺寸/形状变化的独特特性，因此在（生物）制造领域，尤其是精细结构的构建方面具有强大潜力，为其在生物医学中的应用提供了更多的可能。针对于未来的研究前景，使用不同（生物）制造技术加工的可收缩和可膨胀（生物）材料可能会为开发用于细胞或药物输送的原位组织植入物以及便携式超灵敏诊断设备开辟新的可能性。

  该综述内容发表在Advanced Healthcare Materials（2021: 2100380）上。论文的第一作者为哈佛大学医学院博士后王冕博士，该综述的共同作者还包括哈佛医学院李婉露博士、唐国胜博士、Carlos E. Garciamendez-Mijares, 本文通讯作者为哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.202100380