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融入功能梯度设计的四维（4D）材料为构建能够响应环境刺激并实现程序化形变的动态结构提供了有力平台。然而，大多数基于梯度的4D系统依赖单轴梯度，通常只能产生具有均匀曲率的简单对称变形，从而限制了其重现需要空间协调形态发生的仿生结构的能力。在此，我们报道了一种双轴梯度工程化4D水凝胶系统，可在单一构造体内实现可编程的非均匀形态变换。该系统采用一步光交联策略，将垂直方向的光衰减与水平方向的灰度光掩模图案化相结合，在两个方向上构建正交交联梯度，从而产生空间异质性溶胀应力，驱动受控的多向变形。所得水凝胶表现出可调控的溶胀性能和力学性能，能够精确调节曲率分布与形状变换。该双轴梯度平台可生成多种仿生结构，包括天鹅颈、蕨类卷曲嫩叶、海星以及类似欧洲卫矛的结构。重要的是，该系统支持载细胞生物制造：包 encapsulated human mesenchymal stem cell? Need Chinese. 人间充质干细胞包 encapsulated constructs. Continue. Need no typo. Full final.
ealsberg{at}uic.edu
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融合功能梯度设计的四维（4D）材料为构建能够响应环境刺激并实现程序化形状变换的动态结构提供了有力平台。然而，大多数基于梯度的4D系统依赖单轴梯度，通常只能产生简单、对称且曲率均一的变形，从而限制了其重现需要空间协同形态发生的仿生结构的能力。在此，我们报道了一种双轴梯度工程化4D水凝胶系统，能够在单一构造体内实现可编程的非均匀形状变形。该系统采用一步光交联策略，将垂直方向的光衰减与水平方向的灰度光掩模图案化相结合，从而沿两个方向建立正交的交联梯度，产生空间异质性溶胀应力，驱动受控的多方向变形。所得水凝胶表现出可调控的溶胀性能和力学性能，可实现对曲率分布及形状变换的精确调节。该双轴梯度平台能够生成多种仿生结构，包括天鹅颈、蕨菜卷芽、海星以及类似欧洲卫矛的结构。更为重要的是，该系统支持载细胞生物制造：包 encapsulated 人间充质干细胞的构造体能够维持较高的细胞存活率，并发生软骨形成分化，同时保持预设的形态。该研究确立了双轴梯度编程4D水凝胶作为整合形态发生与组织形成的稳健策略，推动了仿生生物制造和形态发生组织工程的发展。
利益冲突声明
该
作者声明不存在利益冲突。
基金资助信息声明
美国退伍军人事务部
，RX004288
版权
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发布于2026年7月29日。
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通过双轴梯度编程构建的4D仿生形变水凝胶支架
Aixiang
Ding
，
Kaelyn L.
Gasvoda
，
Eben
Alsberg
bioRxiv
2026.07.28.741270；
DOI：
https://doi.org/10.64898/2026.07.28.741270
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Aixiang
Ding
，
Kaelyn L.
Gasvoda
，
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Alsberg
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2026.07.28.741270；
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https://doi.org/10.64898/2026.07.28.741270
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关键词：4D水凝胶 · 双轴梯度工程 · 仿生形态变形 · 光交联 · 细胞包埋 · 生物制造
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.28.741270v1?rss=1