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4D生物打印技术在骨科中的应用进展

【摘要】作为一项崭新的生物增材制造技术，4D生物打印技术将时间维度引入传统的3D打

印中，使得所打印的结构能够在特定刺激下改变形态或功能。4D生物打印的核心在于其能

够模拟生物组织的动态特性，为组织工程、药物输送系统和人工器官等领域提供了崭新的可

能性，但在临床应用过程中也面临一些挑战。本文旨在介绍智能材料的种类及特点，以及4

D生物打印技术在骨缺损修复、软骨修复、骨折固定装置等骨科领域中的研究进展。

【关键词】骨科；综述；组织工程；4D生物打印技术；智能材料

“4D打印”这一词最先由美国麻省理工学院的SkylarTibbits于2013年提出，指通

过引入时间作为第四维度，使得打印出的结构能够在外部刺激下发生形状变化，模拟天然组

织的动态行为[1]。4D生物打印的原理是基于智能材料和对外部刺激做出响应的机制，结合

了3D打印技术和生物学原理。在4D生物打印过程中，首先设计3D模型，然后使用3D打印

机将含有智能材料的生物墨水按照这个模型打印出来。打印出的结构可在后续的处理过程中

加入细胞或其他生物活性物质，以促进组织再生或药物释放。通过精确控制刺激源和条件，

实现对结构形状和功能的动态调控，模拟生物组织的复杂行为和环境适应能力[2-3]。

4D生物打印是一种集成了3D打印技术和智能材料响应能力的先进生物制造技术。它通

过在打印过程中引入时间维度，使得打印出的结构能够在特定刺激下实现动态变化，为生物

医学领域提供了广阔的应用前景。4D生物打印包括组织工程、药物输送系统、人工器官制

造以及生物仿生等领域。通过模仿自然界的动态结构和功能，4D生物打印有望解决传统3D

打印技术无法克服的一些限制，如难以实现复杂结构的精确构建和缺乏动态调控能力等[4-

5]。此外，4D生物打印还为开发新型生物材料和智能设备提供了可能，这些设备能够根据

环境变化自动调整其性能，以更好地满足人体的需求[6]。

一、4D打印的优势

4D打印是一种下一代技术，常用于制造高精度的复杂和灵活的零件。4D打印提供了独

特的交互模式，根据患者的需求打印适合的部件。4D打印技术的优势主要体现在以下几个

方面：①动态响应性：动态响应性使得打印出的结构具有自我适应和自我修复的能力[7-9]。

②多功能性：4D打印技术赋予结构更多的功能，如自组装、自适应和自我修复等[10]。③

个性化和定制化：可实现高度个性化和定制化的打印需求[11]。

二、智能材料

4D打印技术和3D打印技术的根本区别在于用于制造的智能材料。智能材料是指能够对

外部环境变化做出响应的材料，包括但不限于水响应性、pH响应性、热响应性和光响应性

材料。这些材料能够在接触到特定刺激时发生物理或化学变化，导致形态变化或功能转换[1

2]。

与3D打印完全不同的是，4D打印使用的智能材料添加了数学模型、物理化学刺激和交

互机制。在生物医学领域，4D生物打印技术利用智能材料的特性，创造出能够模拟天然组

织动态行为的结构。此外，智能材料还能够在药物释放系统中发挥作用，例如通过温度或特

定生物分子的响应来控制药物的释放速率和位置。智能材料的应用不仅限于简单的形状变化，

还包括更为复杂的动态行为，如通过酶触发的形状转换或基于特定生物分子的程序化形状变

化。这些高级功能为开发新型的生物医学设备和组织工程提供了可能，使得这些设备和结构

能够更加精确地模拟人体内的复杂生理过程。

4D打印技术中使用的智能材料主要包括形状记忆聚合物、电致活性聚合物、光驱动型

聚合物、水驱动结构等。这些材料能够在外界环境刺激下发生形状变化，如温度、湿度、光

照等，赋予3D打印的结构以动态响应能力，目前常见的4D打印智能材料及其特点见表1。

三、4D生物打印在骨科的应用

（一）骨缺损修复

1.复杂骨缺损的修复：传统的骨缺损修复方法在面对复杂形状和（或）不规则大小的骨

缺损时存在一定的局限性。而4D生物打印技术既能重构出高度匹配的个性化骨缺损支架，

又能释放活性因子进一步促进骨再生，有效解决了这一难题。Wang等[22]将磷化黑磷纳米

片和成骨肽纳入β-磷酸三钙／聚乳酸-共-三甲基碳酸酯纳米复合支架中，构建光热响应形

状记忆支架。通过使支架温度快速增至45℃,支架形状可重构，便于支架植入和精确适应不

规则骨缺损，随后温度降至37℃,支架为表现与人体松质骨相当的力学性能。通过脉冲释放

成骨肽促进骨缺损部位的成骨，实现了可重构支架在大鼠颅骨缺损中的紧凑整合和促进新骨

形成。

2.生物相