隨著打印材料的豐富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技術(shù)日趨成熟。然而，利用傳統(tǒng)3D打印技術(shù)將具有“形狀記憶”特性的聚合纖維納入到復(fù)合材料中，制造出來(lái)的產(chǎn)品是無(wú)法移動(dòng)的，如沒(méi)有人為干預(yù)，它們將一直保持原狀，即只考慮的打印對(duì)象的初始狀態(tài)，并且假定打印對(duì)象是靜態(tài)的、無(wú)生命的。
所謂“4D打印技術(shù)”，即傳統(tǒng)3D打印技術(shù)中再加入“時(shí)間”變量，不僅包含3D的長(zhǎng)、寬和高3個(gè)維度，更增加了一個(gè)時(shí)間維度，使打印出的物體可以隨著時(shí)間推移在形態(tài)結(jié)構(gòu)上自我進(jìn)行智慧調(diào)整，最終自動(dòng)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求。如此，技術(shù)人員便可將其引入更多領(lǐng)域應(yīng)用。
一．4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用
4D打印技術(shù)的材料是響應(yīng)生物相容性材料，這些材料能根據(jù)外界刺激（包括溫度、水、磁場(chǎng)等）轉(zhuǎn)變功能重塑形態(tài)，從而制造出更復(fù)雜的類似于肝和心臟等原生組織結(jié)構(gòu)。因此，4D打印技術(shù)將對(duì)功能組織或器官的生物打印做出重大貢獻(xiàn)。
1.組織工程
隨著4D生物打印技術(shù)的飛速發(fā)展，體外構(gòu)建仿生血管研究有望得以實(shí)現(xiàn)。例如，自折疊聚合物可以通過(guò)封裝不同類型的細(xì)胞來(lái)制造血管，并可以在水中形成多層管狀結(jié)構(gòu)。另一種方法是通過(guò)4D生物打印中的細(xì)胞自組織能力來(lái)制造血管。由于血管生成是組織工程學(xué)中的關(guān)鍵，且血管需求量大，因此，體外構(gòu)建仿生血管研究的實(shí)現(xiàn)將極大地改善目前面臨的血管困境，造福于廣大患者。
另外，4D生物打印技術(shù)也可用來(lái)打印硬組織，如骨骼等。先打印一種具有網(wǎng)格圖案的聚合骨，為了移植礦化再在骨頭上涂上下鼻甲組織來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞。經(jīng)過(guò)短暫的培養(yǎng)期，打印的骨組織移植變得成熟。對(duì)脫細(xì)胞移植物在體外和體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，它具有改進(jìn)的骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)的性能。然而，移植的骨骼沒(méi)有天然骨的機(jī)械強(qiáng)度。還需要進(jìn)一步努力提高這些打印出來(lái)的骨組織的強(qiáng)度。
2.藥物輸送
4D生物打印技術(shù)可以精確控制不同的組件的空間分布，以可編程的方式釋放或封裝藥物和細(xì)胞?？偟膩?lái)說(shuō)，4D生物打印技術(shù)就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加“時(shí)間”這個(gè)第四維度。它的實(shí)現(xiàn)方式主要是兩個(gè)，一個(gè)是基于材料的變形，另一個(gè)是基于組織工程構(gòu)建的成熟。4D生物打印技術(shù)在獲取組織功能結(jié)構(gòu)，通過(guò)刺激引起的結(jié)構(gòu)變形、控制藥物釋放等領(lǐng)域已經(jīng)取得進(jìn)展，但是仍然處于起步階段。
二．4D打印技術(shù)面臨的問(wèn)題
第一，可以用來(lái)打印的響應(yīng)性材料是有限的。大多數(shù)材料只對(duì)一種刺激有反映。然而，在人的身上，復(fù)雜的微環(huán)境是由多個(gè)系統(tǒng)監(jiān)管來(lái)維持穩(wěn)定的，如神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)和自我調(diào)節(jié)等。所以，能夠響應(yīng)多種生理信號(hào)的自變形打印材料對(duì)于4D生物打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是非常有利的。除了發(fā)現(xiàn)新的材料，使現(xiàn)有的響應(yīng)材料能夠被打印和同時(shí)解決生物排異性問(wèn)題也是未來(lái)的研究方向。
第二，4D生物打印技術(shù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)變形只是簡(jiǎn)單的變形，如折疊、展開(kāi)、自組織等。主要是因?yàn)檫@些變形發(fā)生在宏觀尺度上，制約了打印對(duì)象的演化過(guò)程中的精確控制。
三．4D打印技術(shù)產(chǎn)品的前景廣闊
無(wú)論是德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，還是“中國(guó)制造2025”，不管是哪一種工業(yè)生產(chǎn)模式，在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中都需要大量的組裝費(fèi)用，將4D打印引入到工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，可以免去組裝費(fèi)用，從而大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。4D打印技術(shù)可以根據(jù)用戶的需求，隨時(shí)生產(chǎn)出客戶所需要的產(chǎn)品，滿足用戶個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，這樣企業(yè)還可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行實(shí)時(shí)制造，不需要進(jìn)行原材料囤積，企業(yè)也就不用擔(dān)心資金鏈熔斷的問(wèn)題，減小資金運(yùn)轉(zhuǎn)的壓力。
未來(lái)的一個(gè)工作任務(wù)是通過(guò)調(diào)節(jié)外部刺激精確控制4D生物打印方向、功能、形狀等微觀的東西。提高打印分辨率可能是實(shí)現(xiàn)變形的精確控制一個(gè)方案，我們應(yīng)該投入更多的精力來(lái)研究敏感的生物材料，來(lái)提高打印分辨率?；诩?xì)胞成熟4D生物打印技術(shù)，如能控制細(xì)胞排列，就可以更好地模仿體內(nèi)組織。總之，4D生物打印技術(shù)為生物工程打開(kāi)了一扇新的大門，它將作為一個(gè)新工具用來(lái)解決組織工程和藥物傳遞方面的問(wèn)題。
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