4D打印的关键：生物相容性材料

随着打印材料的丰富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技术日趋成熟。然而，利用传统3D打印技术将具有“形状记忆”特性的聚合纤维纳入到复合材料中，制造出来的产品是无法移动的，如没有人为干预，它们将一直保持原状，即只考虑的打印对象的初始状态，并且假定打印对象是静态的、无生命的。

所谓“4D打印技术”，即传统3D打印技术中再加入“时间”变量，不仅包含3D的长、宽和高3个维度，更增加了一个时间维度，使打印出的物体可以随着时间推移在形态结构上自我进行智慧调整，最终自动达到预先设计要求。如此，技术人员便可将其引入更多领域应用。

一．4D打印技术在生物医疗领域的应用

4D打印技术的材料是响应生物相容性材料，这些材料能根据外界刺激（包括温度、水、磁场等）转变功能重塑形态，从而制造出更复杂的类似于肝和心脏等原生组织结构。因此，4D打印技术将对功能组织或器官的生物打印做出重大贡献。

1.组织工程

随着4D生物打印技术的飞速发展，体外构建仿生血管研究有望得以实现。例如，自折叠聚合物可以通过封装不同类型的细胞来制造血管，并可以在水中形成多层管状结构。另一种方法是通过4D生物打印中的细胞自组织能力来制造血管。由于血管生成是组织工程学中的关键，且血管需求量大，因此，体外构建仿生血管研究的实现将极大地改善目前面临的血管困境，造福于广大患者。

另外，4D生物打印技术也可用来打印硬组织，如骨骼等。先打印一种具有网格图案的聚合骨，为了移植矿化再在骨头上涂上下鼻甲组织来源的间充质干细胞。经过短暂的培养期，打印的骨组织移植变得成熟。对脱细胞移植物在体外和体内研究发现，它具有改进的骨诱导和骨传导的性能。然而，移植的骨骼没有天然骨的机械强度。还需要进一步努力提高这些打印出来的骨组织的强度。

2.药物输送

4D生物打印技术可以精确控制不同的组件的空间分布，以可编程的方式释放或封装药物和细胞。总的来说，4D生物打印技术就是在3D打印的基础上增加“时间”这个第四维度。它的实现方式主要是两个，一个是基于材料的变形，另一个是基于组织工程构建的成熟。4D生物打印技术在获取组织功能结构，通过刺激引起的结构变形、控制药物释放等领域已经取得进展，但是仍然处于起步阶段。

二．4D打印技术面临的问题

第一，可以用来打印的响应性材料是有限的。大多数材料只对一种刺激有反映。然而，在人的身上，复杂的微环境是由多个系统监管来维持稳定的，如神经调节、体液调节和自我调节等。所以，能够响应多种生理信号的自变形打印材料对于4D生物打印技术的医学应用是非常有利的。除了发现新的材料，使现有的响应材料能够被打印和同时解决生物排异性问题也是未来的研究方向。

第二，4D生物打印技术现有的结构变形只是简单的变形，如折叠、展开、自组织等。主要是因为这些变形发生在宏观尺度上，制约了打印对象的演化过程中的精确控制。

三．4D打印技术产品的前景广阔

无论是德国工业4.0、美国工业互联网，还是“中国制造2025”，不管是哪一种工业生产模式，在产业生产的过程中都需要大量的组装费用，将4D打印引入到工业生产的过程中，可以免去组装费用，从而大大降低产品的生产成本。4D打印技术可以根据用户的需求，随时生产出客户所需要的产品，满足用户个性化需求，实现个性化定制，这样企业还可以根据客户的需求进行实时制造，不需要进行原材料囤积，企业也就不用担心资金链熔断的问题，减小资金运转的压力。

未来的一个工作任务是通过调节外部刺激精确控制4D生物打印方向、功能、形状等微观的东西。提高打印分辨率可能是实现变形的精确控制一个方案，我们应该投入更多的精力来研究敏感的生物材料，来提高打印分辨率。基于细胞成熟4D生物打印技术，如能控制细胞排列，就可以更好地模仿体内组织。总之，4D生物打印技术为生物工程打开了一扇新的大门，它将作为一个新工具用来解决组织工程和药物传递方面的问题。

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