乐于分享
好东西不私藏

AI设计的“智能卷须”:4D打印微针主动闭合伤口

AI设计的“智能卷须”:4D打印微针主动闭合伤口
针对糖尿病等慢性伤口愈合迟缓、边缘难以有效对齐且易感染这一临床难题,韩国研究团队研发出一种由人工智能(AI)引导的4D打印仿生微针平台。
此微针模拟食肉植物茅膏菜的主动弯曲卷绕运动,运用热响应形状记忆聚合物,通过4D打印技术制作而成。 在37°C体温下,微针可从伸直状态自主恢复为弯曲形态,主动抓合伤口边缘提供持续机械张力。
研究利用高斯过程回归等机器学习模型精准预测材料配比与形变行为,并结合粘附性DNA与锌纳米层实现活性氧清除、持续药物释放及广谱抗菌。
糖尿病动物模型证实,该系统加速上皮再生、胶原重塑与血管新生。
相关成果以“AI–Guided 4D Printing of Carnivorous Plants–Inspired Microneedles for Accelerated Wound Healing”为题,发表在了《Advanced Materials》上。
AI赋能的工艺与预测型:引入支持向量回归(SVR)、极端梯度提升(XGB)和高斯过程回归(GPR)等多重机器学习算法,精准定量建模微针的非线性热恢复行为,大幅提升了工艺优化的可靠性与效率。
动静结合的植物仿生机制:模拟好望角茅膏菜的卷曲捕猎机制,利用形状记忆聚合物(SMPs)赋予微针在热刺激下的可逆形变能力,使其刺入组织后产生物理抓握,达成自驱动的机械闭合。
多效表面的离子与分子递送:借助基于溅射的等离子体浸没离子注入(S-PIII)技术,在微针阵列表面均匀涂覆aDNA与Zn纳米层,不仅赋予材料固有的抗菌活性,还保证了生物分子的长效稳定释放。
传统的静态微针在应对动态变化的伤口时往往存在粘附力不足、容易脱落等问题,难以维持长期的机械闭合与药物递送。将智能响应材料与微纳制造结合是解决这一痛点的有效途径。
然而,开发能精确响应生物热信号并产生特定形变的复杂微结构,面临着材料配比与打印参数优化的巨大挑战。通过引入机器学习算法来指导4D打印,能够高效筛选出最优的形状记忆聚合物配方。
这种具有环境适应性的智能材料,对于研发可主动促进血管生成、胶原重塑并抵御感染的下一代创面敷料,具有科学研究与临床转化价值。

SMPs的制备与表征

图1:展示了形状记忆聚合物的化学结构,区分了可打印与过固化条件。热重及差示扫描量热分析表明材料热性能稳定,环状样品在室温及37°C下均可实现形状恢复,热机械循环曲线证实其形状记忆行为。

右滑解锁更多

温度对预测变量的偏相关影响

图2:RT与37°C下各变量相关矩阵不同,偏相关系数显示温度调控变量间关联强度,GPR模型预测性能最优。

模型在新实验数据集上的泛化能力

图3:SVR、XGB及GPR模型均能预测不同固化条件下的变形轨迹,其中GPR精度最高且提供置信区间。

表面处理微针的制备与表征

图4:可制备不同曲率微针,体积放大千倍后仍可恢复形状。aDNA粒径约100 nm,表面电位负值增大,ZnS-PIII处理改变表面元素组成及N 1s峰位。

仿生微针的力学性能与细胞响应

图5:微针可刺入皮肤并负载DNA缓释,支持内皮细胞及成纤维细胞黏附与增殖,生物相容性良好。

仿生微针促进糖尿病伤口愈合

图6:微针可插入皮肤并加速伤口闭合,组织学及免疫组化显示胶原沉积、血管新生及再生因子上调,愈合效果优于对照组。

1)AI主导的材料配方与结构筛选
收集不同叔丁基丙烯酸酯(tBA)与1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)配比下的微针形变数据,以HDDA浓度、固化时间、恢复时间为输入,训练GPR等机器学习模型。
GPR模型展现出极高的预测精度(R² > 0.99),成功输出极佳工艺参数组合,使微针的热响应恢复行为达到极优状态。
2)仿生形变微针的4D打印与构建
采用优化后的形状记忆聚合物配方,利用4D打印技术制造出具备热响应特征的微针体系。
该微针在刺入目标组织并感受到体温等热刺激后,能够迅速激发出类似食肉植物触手的弯曲和抓握动作,产生强效的组织机械互锁。
3)表面功能化涂层的构建与药效释放
运用基于溅射的等离子体浸没离子注入(S-PIII)技术,在微针阵列表面均匀覆盖粘附性DNA(aDNA)与锌纳米层。
锌离子赋予了微针广谱的抗菌特性,同时延缓并促进了aDNA的持续释放,为创面提供持久的生化刺激。
4)糖尿病创面模型的修复与验证
将功能化的仿生微纳系统应用于糖尿病全层皮肤缺损模型。体内实验证实,该智能微针通过物理抓握与化学信号的双重作用,有效加速了上皮细胞的再生、胶原纤维的有序重塑以及局部新生血管的形成。
本研究将植物仿生学、机器学习与4D打印制造技术相融合,成功研制出一款兼具热响应自驱动闭合与抗菌促愈合双重功效的智能微纳平台。
此研究突破了传统试错法的局限,依靠高斯过程回归等算法确定了形状记忆聚合物的配比,并通过表面离子注入技术实现了多效功能化。
未来,这种基于AI引导的材料设计理念将为智能医疗器械、组织工程界面以及动态生物传感器的研发提供全新思路。
   https://doi.org/10.1002/adma.202523665

清源泰硕(宁波)生物制造科技有限公司

清源泰硕,清华大学参股企业,基于生物制造技术,面向临床医疗器械、生命科学装备、再生修复治疗、新型药物检测方法等,转化开发多款产品。 

  国高新企业,生命科学设备已支持医疗器械产品取得三类注册证。

了解更多产品信息,欢迎关注我们的服务号

关注、分享与点赞

只要你点,我们就是胖友