科研人员将剪纸艺术与4D生物制造结合，利用光刻水凝胶实现活体组织自主弯曲折叠，为复杂器官重构开辟新路径。
把一张纸折叠，剪出几道切口，再展开，就能得到一片精致的花纹，这就是源远流长的剪纸艺术。近年来，这种通过切割和折叠赋予平面材料全新拉伸性与柔韧性的几何技巧，已被广泛应用于航天器展开结构、半导体器件以及柔性电子设备中。如今，科学家们将这一巧妙的几何构思带入生命科学领域，用它来解决生物医学工程中最棘手的问题之一：如何制造具有复杂弯曲形态的人体组织。
人体内的组织和器官绝非简单的平铺结构。无论是气管的环状弯曲、血管的管道分支，还是关节处软骨和骨骼的复杂曲面，其独特的立体几何形状都与其生理功能紧密相连。然而，传统的组织工程技术很难精准重现这些复杂的曲面形态，往往只能做出扁平或规则形状的细胞支架，难以模拟真实器官的复杂结构。
为了打破这一瓶颈，芝加哥伊利诺伊大学工学院的科研团队开展了一项开创性研究。研究人员 Kaelyn L. Gasvoda、Aixiang Ding、Zhangli Peng、Alexandria Sterenberg、Oju Jeon 以及 Eben Alsberg 等人，尝试将剪纸结构引入包裹着活细胞的软凝胶材料中，开发出一种名为4D生物剪纸的全新技术。相关研究成果发表在期刊 Cell Biomaterials 上。
所谓的4D生物制造，是指三维打印或制造出来的结构在时间这一第四维度上，能够根据预设指令发生自主形态改变。为了实现这种可控的自主变形，研究团队设计了一种由明胶和海藻酸盐(一种提取自海藻的天然高分子聚合物)构成的特殊水凝胶平台。
在制作过程中，研究人员采用了光刻技术。他们利用特定图案的光线照射水凝胶，在材料内部制造出交联密度不同的区域。水凝胶的外框被设定为刚性结构，在培养液中不会膨胀，用来维持整体结构的稳定；而内部区域则保留了良好的亲水性和细胞兼容性，能够吸收培养液并发生膨胀。当内部区域吸水膨胀受限时，剪纸图案形成的几何切口就会引导材料产生精准的弯曲、折叠和应力释放，使原本平面的凝胶在培养过程中，像折纸一样自主形变成预想的三维曲面。
在整个过程中，水凝胶不仅能完美实现预设形态的转变，还能为活细胞提供舒适的生存环境，支持细胞在变形后的立体支架中继续存活、生长和分化。毕业于芝加哥伊利诺伊大学、现为梅奥诊所博士后研究员的 Kaelyn L. Gasvoda 表示，这项技术的突破之处在于，研究人员无需在外部施加人工干预，就能精确引导材料随着时间推移自主弯曲和变形。
芝加哥伊利诺伊大学的助理研究教授 Aixiang Ding 指出，这种能够自主变形且具备细胞兼容性的水凝胶平台，为重现软骨、骨骼、气管和血管等复杂架构开辟了全新路径。下一步，研究团队计划将该技术应用于动物模型测试，以评估其在活体环境中的表现，并最终推动该技术走向临床应用。这项结合了古老剪纸智慧与现代光刻技术的创新，正在为组织工程和创伤修复带来前所未有的可能性。
原文：https://phys.org/news/2026-10-4d-biofabrication-technology-tissue-wound.html