Advanced Materials | 以食虫植物为灵感的食虫植物微针的 AI 导引 4D 打印，加速伤口愈合。

人工智能（AI）与仿生设计相结合，使得能够开发能够适应并动态响应生物线索的材料。本研究开发了受 Drosera capensis 启发的热响应微针（MN）平台，通过 AI 引导的 4D 打印整合了运动、表面和功能模仿。由叔丁基丙烯酸酯（tBA）和 1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）组成的形状记忆聚合物（SMPs）设计用于在热刺激下表现出可逆的形状恢复。复杂的形状记忆行为通过多种机器学习（ML）算法定量建模，包括支持向量回归（SVR）、极端梯度增强（XGB）和高斯过程回归（GPR）。其中，GPR 展现出卓越的预测准确率（R2 > 0.99），并提供了预测均值和 95%置信区间，凸显了其在非线性热回收行为建模中的可靠性以及指导过程参数优化的潜力。产生的 MN 表现出类似刺莳的盘绕和抓握动作，实现了自我驱动的伤口闭合。此外，MN 通过基于溅射的等离子体浸入植入（S-PIII）通过粘附 DNA（aDNA）和 Zn 纳米层进行了功能化。锌纳米层促进了 DNA 的持续释放，并赋予 MNs 固有的抗菌活性。在糖尿病伤口模型中，AI 优化的仿生 MN（BMMN）系统显著增强了上皮再生、胶原重塑和新生血管形成，展示了适应性和智能的伤口愈合材料。

该研究以题为“AI-Guided 4D Printing of Carnivorous Plants-Inspired Microneedles for Accelerated Wound Healing.”发表在Advanced Materials 上。

仿生形状记忆微针（MN），灵感来源于南非捕虫草（Drosera capensis）。使用叔丁基丙烯酸酯（tBA）和1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）通过光聚合基4D打印制作SMP微针。通过热触发形状恢复实现高效穿透皮肤，同时DNA固定化和锌离子植入协同促进血管生成、抗菌活性和加速伤口愈合。形状记忆聚合物（SMPs）的制备与表征。(a) tBA、HDDA、光引发剂（omnirad-819）及制备的SMP的化学结构。(b) 实验组中可打印和过度固化条件的划分。(c) 不同配方和固化时间下的TGA曲线，(d) DSC曲线。(e) 环形样品在室温和37°C下的形状恢复行为（N = 3）。(f) 制备的SMPs的三维热机械循环曲线。

总结

这篇发表在《Advanced Materials》上的研究，将人工智能与仿生设计结合，开发了一种受食虫植物茅膏菜启发的4D打印微针贴片。该贴片由叔丁基丙烯酸酯和HDDA构成形状记忆聚合物，通过高斯过程回归等机器学习算法精确预测了其在不同温度下的形变恢复行为，实现了类似茅膏菜叶片卷曲的动态运动，能够主动抓合伤口边缘。在材料功能化方面，研究团队利用聚多巴胺与DNA自组装形成粘附性DNA纳米复合物，再通过溅射等离子体浸没离子注入技术在其表面构建了一层稳定的锌纳米层，实现了抗菌离子与促再生DNA的时序释放。

在糖尿病小鼠的全层皮肤缺损和切口模型中，该仿生微针贴片显著加速了伤口闭合，促进了上皮再生、胶原重塑和新生血管形成，同时有效抑制了细菌感染和过度炎症反应。组织学分析显示，治疗组伤口部位的皮肤附属器再生更为完整，瘢痕形成明显减少。这项研究通过将机器学习驱动的形变设计与多功能表面修饰相结合，构建了一个能够主动适应伤口环境、兼具动态闭合与生物活性因子递送功能的智能平台，为糖尿病足、慢性难愈合创面等复杂伤口的治疗提供了一种全新的策略。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202523665