4D打印的魔术

郭爽

美国罗格斯大学和意大利比萨大学组成的研究小组近日利用4D打印方法制造出了具有极强组织黏附力的微针。这种微针微创、无痛且易于使用，可完全代替皮下注射针头，完成递送药物、采集血液等医疗工作。

2D是平面，3D是立体，这4D是在哪里增加了一个维度呢？其实，这个D，指的是时间维度。也就是说，被打印物体可以随着时间的推移，在形态上发生改变。而触发它的因素，可以是温度、水，也可以是重力、磁性等。

尽管目前4D打印技术尚在起步阶段，4D打印材料的应用也还远远未到投入大规模使用的程度，但随着研究的逐步深入，人们发现4D打印技术能给人类社会带来许多意想不到的改变。

4D打印是什么

4D打印的概念在2013年就出现了。当时，麻省理工学院自组装实验室的斯凯拉·蒂比茨在TED大会上通过一个完整的实验演示向与会者阐述了相关概念。一段绳状物体被放入水中，物体自动折成预先设计的形状，斯凯拉·蒂比茨称之为4D打印。

4D打印技术的实现关键在于智能材料，准确地说是一种新型的能够自动变形的智能感应材料。它不需要借助任何机电设备，在外界环境（温度、外应力、电磁场等）變化时，能按照事先设计的要求进行相应的形状变化。

4D打印技术可直接将设计内置到物料当中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，颠覆了传统的造物方式。对4D打印的研究，主要涉及多种复合材料或多材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等。此外，研究人员对于仿生4D打印也有初步研究。

智能材料的神应用

在简单的折叠、卷曲变化方面，4D打印产品已经可以做到灵活自如。例如，4D打印出的片状材料在受热后可以像折纸一样自折叠成玫瑰花、小船、兔子等形状。仅从这一简单应用出发，就可以制作可变形的简易家具。平时可以平放，以节约空间，需要时不用螺丝和工具，拆开的家具就能自我组装。

在生物医疗领域的应用更是惊人。微针就是一种长度仅为数百微米的微型针，由于其使用起来不会带来强烈痛感而受到广泛关注。

自然界中，某些昆虫等生物拥有黏附在组织上的微观特征，比如寄生虫的钩、蜜蜂带倒钩的刺和豪猪的棘刺。罗格斯大学和比萨大学组成的研究小组就是受到它们的启发，从而开发出这种可以在插入皮肤时与组织互锁，具有极强组织黏附力的微针。

不仅如此，研究人员还在微针上加上了倒钩。发表在《高级功能材料》杂志上的研究报告显示，这些倒钩的密度和弯曲曲率可以通过改变打印参数和材料成分进行控制。研究人员以鸡肉组织为模型对微针的组织黏附力进行了测试，结果表明，新型微针的组织黏附力是无倒钩微针的18倍，可以保证在组织中持续释放药物。

这种微针既短且薄，造成的创口小而微，但依然能稳定输送药物，使用效果会比现在的针头更好。

此外，4D打印的可变形材料为微创植入提供了可能。在手术前将植入器件体积减到最小，等植入后再对器件施加影响，使其变为需要的形状，这样就可以将伤口面积减到最小。

发展方向

4D打印不用直接创建复杂的结构，而是在3D打印的基础上进行自组装、重新配置等，达到最终的复杂形状，显著地减小了体积，降低了打印的复杂性，开启了应用的新领域和新方向。

鉴于其材料的自适应性，4D打印的纺织品能管理身体的湿度或温度，还能监测伤口、提供皮肤护理、防止恶劣气候，更能适应性地改变服装的颜色。

而多功能自适应4D打印器件组织和4D打印的个性化医疗设备，如气管支架等，也是其重要的应用前景。

4D打印的自组装跨度可以从纳米级扩展到米级甚至更大尺度。假如将微小的4D打印生物组织转移到人体内需要的位置进行自组装，就可能实现人体器官或组织的修复。

2016年，美国哈佛大学维斯生物工程研究所珍妮弗·刘易斯牵头的研究小组，开发出一种打印物品随着环境变化逐渐改变形状的4D打印技术。

研究人员在发表于《自然·材料学》杂志上的论文中写道，花等植物拥有微观结构组织，使得它们的形状能随着环境变化而改变，比如温度或湿度变化造成叶卷叶舒、鲜花盛开等。

研究小组以水凝胶为“墨水”，其中含有取自木材的纤维素纤维，类似让植物变形的微观结构组织，打印出来后，水凝胶固化，放入水中逐渐膨胀，实现变形。

当然，变成什么形状，研究人员都事先根据水凝胶的特性进行了设计和计算。研究小组说，可以选择不同材料作为“墨水”，以应对不同的环境变化。这意味着人们能够打印出因冷、热、电流或生物环境而变形的物品，应用于医学植入等领域。

近日，美国纽约州立大学和西北大学的研究人员开发出一种名为“聚合物刷超表面光刻”的新型4D打印机，能大规模创建出复杂的表面结构，在生物传感器、先进光学系统及药物研发等领域具有广泛的应用前景。

该系统克服了其他生物材料打印技术的一些限制，允许研究人员在每个粒子上采用具有精密结构的物质和定制的化学成分制造4D产品——研究人员称之为“超表面光刻”。相信在一个软光刻（指各种使用软印模来进行图形光刻的工艺技术）的新时代中，合成表面的复杂性可与生物界面的复杂性相媲美，并很快成为现实。

在大尺度和恶劣环境中，4D打印也可能发挥重要作用。例如在未来的深空探测基地建设过程中，可以打印出空间天线和卫星的单个部件，然后运输到需要的位置，再让其自组装成较大的结构，就能消除深空建筑物运输的限制。

（小白摘自《环球》2020年第7期）