在自然生长情况下，胚胎发育和组织愈合需要经过高浓度细胞以及复杂的结构组织变化，才能形成最终的组织形态和结构。

而组织工程可以使细胞或组织按照规定形状生长，在体内或体外构建组织和器官。例如，在一个耳朵形支架中植入可生成软骨和皮肤组织的细胞，最终可能会形成可移植的耳朵。目前该过程使用的支架大体可分为两类：金属材质的和可降解材料制成的。

然而，无论是金属还是可降解材料制成的几何静态支架，在实际应用中都存在另外一个问题：形成的组织不能动态改变形状，这就导致其无法与动态变化的相邻组织进行相互作用。

为解决这一问题，伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago, UIC）研究人员开发出一种新型 4D 水凝胶材料，它可在心理刺激下改变形状，未来可能成为制作生物工程组织和器官的下一代材料。

该研究相关论文于 2 月 24 日发表在 Advanced Functional Materials 杂志上，题目为《通过改变形状的水凝胶诱导高密度细胞组织中的 4D 转变》（Induction of Four‐Dimensional Spatiotemporal Geometric Transformations in High Cell Density Tissues via Shape‐Changing Hydrogels）。

该材料在水的作用下可卷曲成管状，这种性能将有助于其用于制作生物工程血管和其他管状组织结构，由 UIC 生物医学工程教授 Eben Alsberg 和 Richard 领导的研究小组开发。

4D 材料与 3D 材料类似，但二者的不同之处在于，4D 材料能够在特定的环境（如水、光等）中实现形状的动态变化。也就是说，4D 材料是可以进行几何变化的 3D 材料。

在水中改变形状的 4D 水凝胶

其实，此前生物工程研究者已将 4D 材料视为组织工程结构制造的潜在材料，但目前尚存在无法降解以及与细胞兼容问题，这限制了其在再生医学方面的应用。为将这一优势应用于生物工程中，Alsberg 研究小组在明胶水凝胶的基础上开发了可随水量增加去改变形状、并且能与细胞兼容的可实现生物降解的新型 4D 材料。据悉，水凝胶也支持非常高的细胞密度，也因此能用细胞进行塑形。

研究人员在论文中提到，水凝胶吸水膨胀的程度可通过改变材料的降解率、聚合物交联度和浓度等方面进行调节。此次实验中，研究人员用氧化的甲基丙烯酸藻酸盐（OMA）和甲基丙烯酸酯化明胶（Gel MA）交联形成这种 4D 水凝胶材料，可在没有外部刺激的情况下实现可控的形状变化。

他们经过研究发现，聚合物浓度和交联度越高，水凝胶吸水诱发的形变程度也就越小越缓慢。据此，研究人员把不同吸水性的水凝胶像一叠纸一样分层放置在水中，材料整体会弯曲成 “C” 形结构。如果足够弯曲，将能形成类似于血管或其他管状器官的结构。

他们还发现，可通过控制水凝胶发生形状变化的程度和所需的时间对系统进行校准。他们还用实验验证了将骨髓干细胞以非常高的密度嵌入到水凝胶中，且使其保持细胞活性。

论文中，研究人员还描述了如何将充满细胞的水凝胶变成骨骼和软骨状组织，并且可以用该材料通过 4D 打印的方式获得复杂的生物结构。

该研究似乎可以解决金属支架以及传统可降解生物支架存在的问题，但是否将进行实际应用尚未可知，无论如何这在生物工程的实际应用上是十分有意义的。