4D打印的魔術

郭爽

美國羅格斯大學和意大利比薩大學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、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，在形態上發生改變。而觸發它的因素，可以是溫度、水，也可以是重力、磁性等。

盡管目前4D打印技術尚在起步階段，4D打印材料的應用也還遠遠未到投入大規模使用的程度，但隨著研究的逐步深入，人們發現4D打印技術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年就出現了。當時，麻省理工學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概念。一段繩狀物體被放入水中，物體自動折成預先設計的形狀，斯凱拉·蒂比茨稱之為4D打印。

4D打印技術的實現關鍵在于智能材料，準確地說是一種新型的能夠自動變形的智能感應材料。它不需要借助任何機電設備，在外界環境（溫度、外應力、電磁場等）變化時，能按照事先設計的要求進行相應的形狀變化。

4D打印技術可直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程，顛覆了傳統的造物方式。對4D打印的研究，主要涉及多種復合材料或多材料、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。

智能材料的神應用

在簡單的折疊、卷曲變化方面，4D打印產品已經可以做到靈活自如。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。僅從這一簡單應用出發，就可以制作可變形的簡易家具。平時可以平放，以節約空間，需要時不用螺絲和工具，拆開的家具就能自我組裝。

在生物醫療領域的應用更是驚人。微針就是一種長度僅為數百微米的微型針，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。羅格斯大學和比薩大學組成的研究小組就是受到它們的啟發，從而開發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釋放藥物。

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

此外，4D打印的可變形材料為微創植入提供了可能。在手術前將植入器件體積減到最小，等植入后再對器件施加影響，使其變為需要的形狀，這樣就可以將傷口面積減到最小。

發展方向

4D打印不用直接創建復雜的結構，而是在3D打印的基礎上進行自組裝、重新配置等，達到最終的復雜形狀，顯著地減小了體積，降低了打印的復雜性，開啟了應用的新領域和新方向。

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

而多功能自適應4D打印器件組織和4D打印的個性化醫療設備，如氣管支架等，也是其重要的應用前景。

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打印生物組織轉移到人體內需要的位置進行自組裝，就可能實現人體器官或組織的修復。

2016年，美國哈佛大學維斯生物工程研究所珍妮弗·劉易斯牽頭的研究小組，開發出一種打印物品隨著環境變化逐漸改變形狀的4D打印技術。

研究人員在發表于《自然·材料學》雜志上的論文中寫道，花等植物擁有微觀結構組織，使得它們的形狀能隨著環境變化而改變，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構組織，打印出來后，水凝膠固化，放入水中逐漸膨脹，實現變形。

當然，變成什么形狀，研究人員都事先根據水凝膠的特性進行了設計和計算。研究小組說，可以選擇不同材料作為“墨水”，以應對不同的環境變化。這意味著人們能夠打印出因冷、熱、電流或生物環境而變形的物品，應用于醫學植入等領域。

近日，美國紐約州立大學和西北大學的研究人員開發出一種名為“聚合物刷超表面光刻”的新型4D打印機，能大規模創建出復雜的表面結構，在生物傳感器、先進光學系統及藥物研發等領域具有廣泛的應用前景。

該系統克服了其他生物材料打印技術的一些限制，允許研究人員在每個粒子上采用具有精密結構的物質和定制的化學成分制造4D產品——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）的新時代中，合成表面的復雜性可與生物界面的復雜性相媲美，并很快成為現實。

在大尺度和惡劣環境中，4D打印也可能發揮重要作用。例如在未來的深空探測基地建設過程中，可以打印出空間天線和衛星的單個部件，然后運輸到需要的位置，再讓其自組裝成較大的結構，就能消除深空建筑物運輸的限制。

（小白摘自《環球》2020年第7期）