淺談4D打印在生物醫學領域中的應用上）

淺談4D打印在生物醫學領域中的應用(上）

再生醫學是醫學的一個分支，包括組織工程、治療性干細胞及人造器官的運用。其中，組織工程可制造用于修復受損或病變組織的人造組織。在構建非生物支架和細胞的復雜聚合結構時，最有效的方法為3D打印技術，可通過逐層打印的方式，將預先構建的數字藍圖轉變為物體。

在日常生活中，我們常用打印機打印各種文件資料，這種打印通常是在平面上完成，可以稱之為2D打印。隨后，研究人員研制出3D打印技術，該技術直接利用3D打印機以多種粉末狀、液態或熔融態材料為油墨進行打印，直接打印出宏觀立體的3D立體結構，比如，房屋、骨骼、汽車、食材、零件等多種立體結構。

然而，目前3D打印技術具有很多局限性，如在打印體分辨率、生物兼容性、細胞活性及機械性能等方面無法兼顧。4D生物打印技術，可廣泛應用于再生醫學、材料科學、化學和計算機科學等領域，正成為下一代生物打印技術。

4D打印技術的簡介

4D打印技術最初被定義為“3D打印技術+時間”，在3D打印的基礎上增加了第4個維度——時間，即在外部條件刺激下（主要有熱、磁、光、濕度、pH等），打印產品會隨著時間變化出我們需要的形狀、屬性或功能，從而賦予了3D打印產品生命活力。這就是4D打印技術比3D打印技術更高級的地方，可以使人造組織具有環境響應性。

人們可以通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內變形為所需的形狀。準確地說4D打印是一種能夠自動變形的材料，直接將設計內置到物料當中，不需要連接任何復雜的機電設備，就能按照產品設計自動折疊成相應的形狀。

4D打印最關鍵是記憶合金。4D打印由麻省理工（MIT）與Stratasys教育研發部門合作研發的，是一種無需打印機器就能讓材料快速成型的革命性新技術，大小形狀可以隨時間變化。

4D打印背后有三大奧秘：精準的機器、復合的材料、聰明的程序。

4D打印的邏輯，是把產品設計通過打印機嵌入可以變形的智能材料中，在特定時間或外部刺激條件下，無需人為干預，也不用通電，便可按照事先的設計進行自我組裝。與3D打印相比，4D打印更為智能 ，物料可自行“創造”，簡化了打印過程，但對打印材料有了更高要求。

4D打印智能材料

智能材料一般是指以特定條件響應環境變化，具有自感知、自診斷、自驅動、自修復的能力，具有多功能性和感受環境變化的響應。形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、壓電材料、電致活性聚合物、光驅動型聚合物等都屬于智能材料。

01溫度驅動型材料

1）形狀記憶合金：形狀記憶合金是指一種在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發生的變形，恢復其變形前原始形狀的合金材料，即擁有“記憶”效應的合金。

形狀記憶合金組織和力學性能對溫度變化極為敏感，高溫下對N、O、H的親和力強，在成型過程中很容易吸收這些氣體，在成型界面處形成脆性化合物，成型過程中為保持形狀記憶效應，應防止馬氏體相變，并設法控制熱影響區大小，防止晶粒長大破壞母材的有序點陣結構而影響其形狀記憶效應。

2）形狀記憶聚合物：形狀記憶聚合物（SMP)是一類新型功能高分子材料。依據其形狀記憶機理的不同，可分為固態形狀記憶高分子材料和高分子凝膠體系兩大類；依據其實現記憶功能的條件不同，可分為熱敏型、光敏型和感溶劑型等多種。

目前常用的形狀記憶聚合物大多是熱敏型的形狀記憶高分子材料，其形狀記憶效應源于分子鏈組成單元的玻璃化轉變或熔融轉變，而形狀記憶合金的形狀記憶效應則是由合金晶格可逆的馬氏體/奧氏體轉變引起的，與形狀記憶合金相比較，形狀記憶聚合物更易成型。

02電驅動智能材料

1）壓電晶體材料：壓電晶體是指具有壓電效應的材料。采用噴墨打印方式實現壓電材料的增材制造能夠實現復雜微型結構制造，這是傳統加工方式難以實現的，通過對打印材料摻雜、表面處理等方式，能夠提高壓電材料的性能，從而在生物工程、傳感器領域得到應用。

2）介電彈性材料（DE）：DE屬于電活性聚合物（EAP)的一種，在外加電場作用下能夠產生大變形，當外加電場撤掉后，又恢復成原來的形狀或體積，因此可以將其設計和制造成智能轉換器件，如驅動器、傳感器和能量收集器等。

硅橡膠和丙烯酸是最常見的兩種介電彈性材料，而DE材料的增材制造工藝一般采用雙組分硅橡膠作為前體材料，打印的最終目標是雙組分材料的固化。

3）離子聚合物金屬復合材料（IPMC）：IPMC是另一種電活性聚合物，能夠在低電壓（0.5~10V）下實現大變形，它是基體膜(通常是離子交換膜Nafion等)表面采用物理或化學方法沉積并滲透一層金屬電極而形成夾層結構的復合材料。

4）巴克凝膠材料：巴克凝膠是最新發展的一種離子型電活性聚合物結構，其結構也由3層構成，但中間基體材料為聚合物和離子液體構成的電解質，兩邊為碳納米管、聚合物、離子液體構成的電極材料。