哈尔滨工业大学辛晓洲、刘彦菊/南京大学黄金健等Adv Mater丨4D打印三明治结构超材料肠道支架用于肿瘤姑息治疗
- 2026-06-10 20:21:00
文献溯源
原名:4D-Printed Sandwich-Structured Metamaterial Intestinal Stents for Palliative Tumor Therapy
01
研究内容
结直肠癌是全球三大癌症之一，晚期患者常并发肠梗阻（发生率10%-30%）。对于无法手术的患者，支架植入是首选姑息治疗策略。然而，临床面临两大核心挑战：一是肿瘤组织在支架腔内增殖导致再狭窄率高达53%；二是传统支架的非定制化构型与变形不协调性会刮擦周围组织，引发磨损、无菌性炎症和增生，进一步加重再狭窄。因此，开发具有定制化构型、协调变形能力以及持续抗肿瘤和抗狭窄性能的新型肠道支架成为临床迫切需求。
本研究提出了一种肠道特异性、应用驱动的4D打印三明治结构超材料肠道支架平台（MXene-FO@FGMM@T-S）。该平台由三层功能结构组成：外层为Janus抗肿瘤层，一侧负载光热转换材料MXene实现光热治疗（PTT），另一侧负载化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）和奥沙利铂（OXA），实现光热-化疗协同抗肿瘤；中间层为仿生功能梯度超材料（FGMM）承载层，通过设计波浪状韧带微结构实现与肠道组织匹配的J型非线性应力-应变行为，提供结构支撑与协调变形；内层为疏水抗狭窄层（T-S），负载曲尼司特（tranilast）并通过硬脂酸（SA）修饰获得疏水性，降低再狭窄风险。研究系统表征了各层的材料学特性、力学性能、体外生物学效应，并在兔肠梗阻模型中验证了植入可行性与治疗效果。
该图示系统展示了4D打印三明治结构超材料肠道支架（MXene-FO@FGMM@T-S）的整体设计与治疗机制：支架由三层功能结构组成——外层Janus抗肿瘤层（MXene-FO）整合光热材料MXene与化疗药物5-氟尿嘧啶/奥沙利铂实现协同抗肿瘤，中间仿生功能梯度超材料（FGMM）承载层通过波浪状韧带结构提供与肠道组织匹配的J型非线性力学响应和协调变形能力，内层疏水抗狭窄层（T-S）利用硬脂酸修饰获得疏水性并负载曲尼司特抑制组织增生；支架可通过4D打印形状记忆编程为临时小体积构型，经内镜植入肠梗阻部位后在温水刺激下恢复原始管状形态，快速解除梗阻，同时通过808nm激光激活光热效应诱导肿瘤细胞凋亡，促进M1型巨噬细胞极化并增强肠道屏障功能，实现"机械疏通-肿瘤抑制-抗再狭窄"的三重治疗目标。
02
研究亮点及创新点
科研思维积累
1. 临床问题导向的逆向设计思维： 研究起点并非追逐技术热点，而是直面临床真实痛点：肠梗阻支架再狭窄率高（53%）、组织磨损严重。由此逆向推导出三个关键需求——快速疏通（力学支撑）、持续抗肿瘤（防止肿瘤长入）、长期抗狭窄（防止组织增生）。进而将需求转化为材料-结构-功能的三层解耦设计：4D打印解决植入难题、超材料解决力学匹配、Janus结构解决多模态治疗。这种"临床问题→科学问题→技术方案"的逆向路径，确保了研究的临床转化价值，避免了为创新而创新的技术堆砌；
2. 仿生启发的结构-性能关联思维： 研究团队从肠道组织的微观结构（弯曲胶原纤维）获取灵感，抽象出波浪状韧带的核心构型，再通过数学函数（余弦函数）参数化描述，最终通过4D打印实现。这一过程体现了"生物原型→力学原理→数学模型→工程实现"的完整仿生链条。更关键的是，他们没有止步于单一仿生结构，而是通过系统改变函数参数（cos2π-0.5t vs cos2π-t）和拓扑层级（SH vs MH），建立了"构型参数-变形机制-宏观性能"的定量关联，使仿生设计从定性模仿升级为定量调控；
3. 多尺度耦合的系统集成思维： 支架涉及分子尺度（药物释放、氢键作用）、纳米尺度（MXene光热转换、纳米纤维膜）、微米尺度（超材料韧带结构、细胞-材料相互作用）到宏观尺度（支架整体力学、动物体内功能）的多层次问题。研究通过三明治结构实现了不同尺度问题的解耦：内/外层通过静电纺丝和溶液浇铸解决分子/纳米尺度的药物负载和表面改性，中间层通过FDM打印解决微米/宏观尺度的结构成型。各层独立优化后再通过α-氰基丙烯酸酯胶粘集成，体现了"分而治之，合而用之"的系统工程思维。
END
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