近年來，3D列印技術以其靈活多變的列印方式構築複雜物理結構的優勢而風靡全球。3D列印技術的日漸成熟也讓3D列印在醫療市場發揮著越來越不可忽視的作用。

但通常，3D列印的物體只是靜態的三維結構，不會隨時間推移而產生功能特性，而這則在很大程度上限制了其在醫療市場的應用。

近日，伊利諾伊大學芝加哥分校研究人員稱，他們開發出的一種新型4D水凝膠材料，可在心理刺激下改變形狀。這不僅有效解決了3D列印在醫療市場的侷限，更有可能在未來成為製作生物工程組織和器官的下一代材料。

在材料上，4D和3D類似，不同的是，4D更超越了我們目前三維空間維度的認知，在4D列印的技術裡，我們可以賦予列印體特定時間或者特定條件下自動發生改變的，或者成為自我變化、自我組裝的物體。

也就是說，4D材料能夠在水、光等特定的環中實現形狀的動態變化。4D材料就是可以進行幾何變化的3D材料。

鑑於4D列印技術的優越性，此前生物工程研究者已將 4D 材料視為組織工程結構製造的潛在材料，但目前尚存在無法降解以及與細胞相容問題，這也限制了其在再生醫學方面的應用。

此外，對於組織工程，傳統的技術已經涉及到例如培養生物可降解聚合物支架，使細胞在充滿液體營養液的生物室中存活。並且，隨著時間的推移，當提供適當的訊號時，細胞的數量會成倍增加，並在支架降解時產生具有支架形狀的新組織。

然而，幾何靜態支架不能形成隨時間動態改變形狀的組織，也不能促進與改變形狀的鄰近組織的相互作用。

此次研究中，研究人員為將4D列印技術的優勢應用於生物工程中，透過氧化的甲基丙烯酸海藻酸鹽(OMA)和甲基丙烯酸明膠(GelMA)的光交聯，製備了在沒有外界刺激的情況下具有可控幾何變化的雙層水凝膠。

這種能與細胞相容的可實現生物降解的新型 4D 材料，具有明確的4D幾何變化，或將進一步擴大這種方法在再生醫學中的應用前景。

研究人員還發現，可透過控制水凝膠發生形狀變化的程度和所需的時間對系統進行校準。他們還用實驗驗證了將骨髓幹細胞以非常高的密度嵌入到水凝膠中，且使其保持細胞活性。

水凝膠支援高細胞密度的特性，使得它們能夠更緊密地模仿組織形式或自然治癒過程，該系統不僅有望用於組織工程，也可以用於研究早期發育過程中的生物過程，這對生物工程的實際應用無疑具有重要意義。