4D打印的魔術(shù)

郭爽

美國羅格斯大學(xué)和意大利比薩大學(xué)組成的研究小組近日利用4D打印方法制造出了具有極強組織黏附力的微針。這種微針微創(chuàng)、無痛且易于使用，可完全代替皮下注射針頭，完成遞送藥物、采集血液等醫(yī)療工作。

2D是平面，3D是立體，這4D是在哪里增加了一個維度呢？其實，這個D，指的是時間維度。也就是說，被打印物體可以隨著時間的推移，在形態(tài)上發(fā)生改變。而觸發(fā)它的因素，可以是溫度、水，也可以是重力、磁性等。

盡管目前4D打印技術(shù)尚在起步階段，4D打印材料的應(yīng)用也還遠遠未到投入大規(guī)模使用的程度，但隨著研究的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)4D打印技術(shù)能給人類社會帶來許多意想不到的改變。

4D打印是什么

4D打印的概念在2013年就出現(xiàn)了。當(dāng)時，麻省理工學(xué)院自組裝實驗室的斯凱拉·蒂比茨在TED大會上通過一個完整的實驗演示向與會者闡述了相關(guān)概念。一段繩狀物體被放入水中，物體自動折成預(yù)先設(shè)計的形狀，斯凱拉·蒂比茨稱之為4D打印。

4D打印技術(shù)的實現(xiàn)關(guān)鍵在于智能材料，準(zhǔn)確地說是一種新型的能夠自動變形的智能感應(yīng)材料。它不需要借助任何機電設(shè)備，在外界環(huán)境（溫度、外應(yīng)力、電磁場等）變化時，能按照事先設(shè)計的要求進行相應(yīng)的形狀變化。

4D打印技術(shù)可直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從“設(shè)計理念”到“實物”的造物過程，顛覆了傳統(tǒng)的造物方式。對4D打印的研究，主要涉及多種復(fù)合材料或多材料、形狀記憶聚合物、形狀記憶合金等。此外，研究人員對于仿生4D打印也有初步研究。

智能材料的神應(yīng)用

在簡單的折疊、卷曲變化方面，4D打印產(chǎn)品已經(jīng)可以做到靈活自如。例如，4D打印出的片狀材料在受熱后可以像折紙一樣自折疊成玫瑰花、小船、兔子等形狀。僅從這一簡單應(yīng)用出發(fā)，就可以制作可變形的簡易家具。平時可以平放，以節(jié)約空間，需要時不用螺絲和工具，拆開的家具就能自我組裝。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用更是驚人。微針就是一種長度僅為數(shù)百微米的微型針，由于其使用起來不會帶來強烈痛感而受到廣泛關(guān)注。

自然界中，某些昆蟲等生物擁有黏附在組織上的微觀特征，比如寄生蟲的鉤、蜜蜂帶倒鉤的刺和豪豬的棘刺。羅格斯大學(xué)和比薩大學(xué)組成的研究小組就是受到它們的啟發(fā)，從而開發(fā)出這種可以在插入皮膚時與組織互鎖，具有極強組織黏附力的微針。

不僅如此，研究人員還在微針上加上了倒鉤。發(fā)表在《高級功能材料》雜志上的研究報告顯示，這些倒鉤的密度和彎曲曲率可以通過改變打印參數(shù)和材料成分進行控制。研究人員以雞肉組織為模型對微針的組織黏附力進行了測試，結(jié)果表明，新型微針的組織黏附力是無倒鉤微針的18倍，可以保證在組織中持續(xù)釋放藥物。

這種微針既短且薄，造成的創(chuàng)口小而微，但依然能穩(wěn)定輸送藥物，使用效果會比現(xiàn)在的針頭更好。

此外，4D打印的可變形材料為微創(chuàng)植入提供了可能。在手術(shù)前將植入器件體積減到最小，等植入后再對器件施加影響，使其變?yōu)樾枰男螤?，這樣就可以將傷口面積減到最小。

發(fā)展方向

4D打印不用直接創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而是在3D打印的基礎(chǔ)上進行自組裝、重新配置等，達到最終的復(fù)雜形狀，顯著地減小了體積，降低了打印的復(fù)雜性，開啟了應(yīng)用的新領(lǐng)域和新方向。

鑒于其材料的自適應(yīng)性，4D打印的紡織品能管理身體的濕度或溫度，還能監(jiān)測傷口、提供皮膚護理、防止惡劣氣候，更能適應(yīng)性地改變服裝的顏色。

而多功能自適應(yīng)4D打印器件組織和4D打印的個性化醫(yī)療設(shè)備，如氣管支架等，也是其重要的應(yīng)用前景。

4D打印的自組裝跨度可以從納米級擴展到米級甚至更大尺度。假如將微小的4D打印生物組織轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)需要的位置進行自組裝，就可能實現(xiàn)人體器官或組織的修復(fù)。

2016年，美國哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所珍妮弗·劉易斯?fàn)款^的研究小組，開發(fā)出一種打印物品隨著環(huán)境變化逐漸改變形狀的4D打印技術(shù)。

研究人員在發(fā)表于《自然·材料學(xué)》雜志上的論文中寫道，花等植物擁有微觀結(jié)構(gòu)組織，使得它們的形狀能隨著環(huán)境變化而改變，比如溫度或濕度變化造成葉卷葉舒、鮮花盛開等。

研究小組以水凝膠為“墨水”，其中含有取自木材的纖維素纖維，類似讓植物變形的微觀結(jié)構(gòu)組織，打印出來后，水凝膠固化，放入水中逐漸膨脹，實現(xiàn)變形。

當(dāng)然，變成什么形狀，研究人員都事先根據(jù)水凝膠的特性進行了設(shè)計和計算。研究小組說，可以選擇不同材料作為“墨水”，以應(yīng)對不同的環(huán)境變化。這意味著人們能夠打印出因冷、熱、電流或生物環(huán)境而變形的物品，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)植入等領(lǐng)域。

近日，美國紐約州立大學(xué)和西北大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種名為“聚合物刷超表面光刻”的新型4D打印機，能大規(guī)模創(chuàng)建出復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，在生物傳感器、先進光學(xué)系統(tǒng)及藥物研發(fā)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

該系統(tǒng)克服了其他生物材料打印技術(shù)的一些限制，允許研究人員在每個粒子上采用具有精密結(jié)構(gòu)的物質(zhì)和定制的化學(xué)成分制造4D產(chǎn)品——研究人員稱之為“超表面光刻”。相信在一個軟光刻（指各種使用軟印模來進行圖形光刻的工藝技術(shù)）的新時代中，合成表面的復(fù)雜性可與生物界面的復(fù)雜性相媲美，并很快成為現(xiàn)實。

在大尺度和惡劣環(huán)境中，4D打印也可能發(fā)揮重要作用。例如在未來的深空探測基地建設(shè)過程中，可以打印出空間天線和衛(wèi)星的單個部件，然后運輸?shù)叫枰奈恢?，再讓其自組裝成較大的結(jié)構(gòu)，就能消除深空建筑物運輸?shù)南拗啤?/p>

（小白摘自《環(huán)球》2020年第7期）