浅谈4D打印在生物医学领域中的应用上）

浅谈4D打印在生物医学领域中的应用(上）

再生医学是医学的一个分支，包括组织工程、治疗性干细胞及人造器官的运用。其中，组织工程可制造用于修复受损或病变组织的人造组织。在构建非生物支架和细胞的复杂聚合结构时，最有效的方法为3D打印技术，可通过逐层打印的方式，将预先构建的数字蓝图转变为物体。

在日常生活中，我们常用打印机打印各种文件资料，这种打印通常是在平面上完成，可以称之为2D打印。随后，研究人员研制出3D打印技术，该技术直接利用3D打印机以多种粉末状、液态或熔融态材料为油墨进行打印，直接打印出宏观立体的3D立体结构，比如，房屋、骨骼、汽车、食材、零件等多种立体结构。

然而，目前3D打印技术具有很多局限性，如在打印体分辨率、生物兼容性、细胞活性及机械性能等方面无法兼顾。4D生物打印技术，可广泛应用于再生医学、材料科学、化学和计算机科学等领域，正成为下一代生物打印技术。

4D打印技术的简介

4D打印技术最初被定义为“3D打印技术+时间”，在3D打印的基础上增加了第4个维度——时间，即在外部条件刺激下（主要有热、磁、光、湿度、pH等），打印产品会随着时间变化出我们需要的形状、属性或功能，从而赋予了3D打印产品生命活力。这就是4D打印技术比3D打印技术更高级的地方，可以使人造组织具有环境响应性。

人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。

4D打印最关键是记忆合金。4D打印由麻省理工（MIT）与Stratasys教育研发部门合作研发的，是一种无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术，大小形状可以随时间变化。

4D打印背后有三大奥秘：精准的机器、复合的材料、聪明的程序。

4D打印的逻辑，是把产品设计通过打印机嵌入可以变形的智能材料中，在特定时间或外部刺激条件下，无需人为干预，也不用通电，便可按照事先的设计进行自我组装。与3D打印相比，4D打印更为智能 ，物料可自行“创造”，简化了打印过程，但对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条件响应环境变化，具有自感知、自诊断、自驱动、自修复的能力，具有多功能性和感受环境变化的响应。形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料、电致活性聚合物、光驱动型聚合物等都属于智能材料。

01温度驱动型材料

1）形状记忆合金：形状记忆合金是指一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆”效应的合金。

形状记忆合金组织和力学性能对温度变化极为敏感，高温下对N、O、H的亲和力强，在成型过程中很容易吸收这些气体，在成型界面处形成脆性化合物，成型过程中为保持形状记忆效应，应防止马氏体相变，并设法控制热影响区大小，防止晶粒长大破坏母材的有序点阵结构而影响其形状记忆效应。

2）形状记忆聚合物：形状记忆聚合物（SMP)是一类新型功能高分子材料。依据其形状记忆机理的不同，可分为固态形状记忆高分子材料和高分子凝胶体系两大类；依据其实现记忆功能的条件不同，可分为热敏型、光敏型和感溶剂型等多种。

目前常用的形状记忆聚合物大多是热敏型的形状记忆高分子材料，其形状记忆效应源于分子链组成单元的玻璃化转变或熔融转变，而形状记忆合金的形状记忆效应则是由合金晶格可逆的马氏体/奥氏体转变引起的，与形状记忆合金相比较，形状记忆聚合物更易成型。

02电驱动智能材料

1）压电晶体材料：压电晶体是指具有压电效应的材料。采用喷墨打印方式实现压电材料的增材制造能够实现复杂微型结构制造，这是传统加工方式难以实现的，通过对打印材料掺杂、表面处理等方式，能够提高压电材料的性能，从而在生物工程、传感器领域得到应用。

2）介电弹性材料（DE）：DE属于电活性聚合物（EAP)的一种，在外加电场作用下能够产生大变形，当外加电场撤掉后，又恢复成原来的形状或体积，因此可以将其设计和制造成智能转换器件，如驱动器、传感器和能量收集器等。

硅橡胶和丙烯酸是最常见的两种介电弹性材料，而DE材料的增材制造工艺一般采用双组分硅橡胶作为前体材料，打印的最终目标是双组分材料的固化。

3）离子聚合物金属复合材料（IPMC）：IPMC是另一种电活性聚合物，能够在低电压（0.5~10V）下实现大变形，它是基体膜(通常是离子交换膜Nafion等)表面采用物理或化学方法沉积并渗透一层金属电极而形成夹层结构的复合材料。

4）巴克凝胶材料：巴克凝胶是最新发展的一种离子型电活性聚合物结构，其结构也由3层构成，但中间基体材料为聚合物和离子液体构成的电解质，两边为碳纳米管、聚合物、离子液体构成的电极材料。