美研究人员定义 4D打印技术,医用植入设备也将具有“材料记忆”

随着 3D 打印技术的不断成熟，这一技术不断应用于飞机制造、军事装备以及医疗植入设备的生产与制造中，同时随着组织细胞再生学的发展，很多生物学家将 3D 技术与组织再生学相结合，生产出可供移植用的 3D 类器官组织。

但来自美国罗格斯大学的研究人员仿佛对此技术并不满足，他们开发和设计了全新了 4D 打印材料，在理论上定义了 4D 打印技术的属性，并生产出柔韧、轻质的 4D 打印材料，这些材料可以生产小型植入式生物医学设备，以及用于其他领域的生产和开发。他们的研究发表于近期的Materials Horizons中。

在了解 4D 打印技术前，我们来回顾下 3D 打印技术。3D 打印（也称为增材制造）通过逐层打印的方式，将预先构建的数字蓝图转变为物理对象。简单通俗点说，就是首先利用计算机构建所需物品的三维模型，然后再通过一层一层打印的方式“堆积”具有三维结构的物体。

而此次美国罗格斯大学的研究人员开发的 4D 打印技术基于现有的 3D 打印技术，但与 3D 打印后形成的固定结构不同，4D 打印使用了特殊的打印材料，这种材料允许打印出来的物体结构可随环境因素的变化（比如温度的变化）呈现相应的改变。

该研究的负责人 Howon Lee 教授表示，“利用常规 3D 打印产生的物体的外在属性源于其打印材料的拓扑结构属性。以往 3D 打印产品一旦被制造出来，产品因材料的属性具有相对固定的特性，进而失去了相应的适应性和调整能力。

在他们最新的研究中，他们的研究小组展示了通过 4D 打印创建的几何可重构、功能可部署和机械可调的轻量级超材料。使用数字微型 3D 打印和形状记忆聚合物，可以实现超材料硬度、几何形状和功能的显着可逆性变化。当材料会随着环境条件的改变而改变时，时间成为构建物体超材料变形或变性的第四维度。

图丨数字增材制造工艺示意图(来源：Daehoon Han,Wonjoon Choi , Howon Lee. 4D Printing Reconfigurable, Deployable and Mechanically Tunable Metamaterials)

工程师们创造的这种新型“超材料”，经过精心设计，这些材料的属性完全不同于自然界中天然材料，其特性十分不同寻常，甚至可以用“违反人类直觉”来形容。以前，超材料的形状和性质一旦制造就不可再被逆转。但是罗格斯大学的工程师可以用热量调整他们的塑料“超材料”，因此它们在被击打时会保持刚性，或者像海绵一样变软进而更利于吸收震动。

在室温 73 华氏度（约 22.8 度）和 194 °F（ 90 度）之间下，这种材料的硬度可以被调节为原来的 100 倍以上，进而可以很好地减震。当温度高于这一范围时，其硬度下降，进而可以重新转变为其他形状，当温度下降至这一范围内时，其又具有“材料记忆”，恢复到先前的形状及超高的硬度。

图丨超材料所具有温控“材料记忆”（Daehoon Han,Wonjoon Choi , Howon Lee. 4D Printing Reconfigurable, Deployable and Mechanically Tunable Metamaterials）

Lee 说：“利用这种材料 3D 打印的医用诊断设备也将具有“材料记忆”，在植入人体前将其卷缩，植入后再恢复其原有的形状，这可大大减少设备植入过程中手术的创面，进而大大减少患者所遭受的痛苦。这一材料和 3D打印的完美结合将改善现有技术的发展、大大提高人们的健康水平和生活质量”。