西班牙研发4D打印技术 有望打印某些人体组织

图为20*9年4月*5日特拉维夫大学3D打印心脏与人体组织

随着3D打印技术的成熟，让世上许多不可能的事变得可能。如今西班牙的一所大学在3D打印基础上，开发一种应用于生物医学的智能4D打印技术，给打印人造器官和其它人造生物医学产品增添许多可能性。

去年，西班牙的马德里卡洛斯三世大学（Charles III University of Madrid）开发出一款应用于生物医学的4D打印机（DIW）的硬件和软件。目前该项的最新成果已经发表在今年2月的《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）科学期刊中。

该研究团队在开发的4D打印设备里，加入物理部分（硬件）和控制设备的电脑程序（软件）来实施精准打印和控制打印成品。

新研发的4D打印机除了基本的3D打印功能外，还能额外对材料进行编程响应，使打印的材料可以在不同磁场作用下发生形状变化，或者改变其电性能。这为设计软机器人（电子零件少且柔软的机器人）或智能传感器和将信号传输到不同网络系统的基板，以及其他应用设计打开了大门。

近期关于多功能材料的研究在不同的应用领域开辟了新的途径，特别是在软机器人、生物工程和传感或执行器领域增添许多可行性。

这款新研发的4D打印机使用直接墨水书写（DIW）方式打印，而打印墨水则含有直径为5µm的磁性颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。PDMS是作为软电子产品、软机器人或人造活性组织器官的理想候选材料。

因此，科学家们在开发4D打印机的过程，只需控制墨水中磁性颗粒大小和流出的速度，并让打印机喷嘴获得足够的墨水。同时确保打印的材料在硬化后能保持特定的形状和硬度，方能做出理想的3D产品。

该项目的研究负责人、连续介质力学和结构理论系教师丹尼尔·加西亚·冈萨雷斯（Daniel García González）对马德里卡洛斯三世大学新闻社表示，“这项技术不仅让我们能够控制打印三维结构形状，还能让我们用外部磁场去改变它们的属性或几何形状，或者在它们变形时，拥有改变其电学性质的能力。”

4D打印技术研究方向是将用具有机械性能的材料，进行多功能结构开发，最终做出拥有模仿大脑或皮肤等生物组织细胞。此外，这些组织结构可以通过外部刺激（例如，磁场或电流）驱动时改变其形状或特性，原因是打印材料中有磁性颗粒。

实际上就是该材料中分布了许多小磁铁，能透过引导进行改变型态。使用该材料做出的产品，在使用过程中出现断裂时，只需将这些断裂的部分聚集一起，它们就能再次融合恢复到原本的结构。

这种自修复材料的研究人员，曾在最近一期期刊《复合材料第B部分：工程》上发表了另一篇文章，介绍了一种新的能够实现自主修复，且无需外部干预的概念材料。

目前，研究人员已经能够打印三种功能性材料：暴露于外部磁场时会改变其形状和特性的材料、有自主修复能力的材料、以及会根据电气特性（电导率）而改变形状的材料。

研究团队利用第一种材料，开发了可以将压力与信号传递到拥有细胞系统的智能板上，从而影响细胞增殖或迁移等生物过程。此外，这些材料还有高度的塑型性，可藉由磁场控制软机器人。这种材料拥有自我修复、导电特性和随变形而变化的特性，为传感器开辟广阔的可能性。

冈萨雷斯表示，“我们可以考虑将身体与传感器连接，通过电导率的变化收集关于我们的运动信息。”他还解释，材料的自我修复能力使传感器具有发送信号的特性，例如人体的关节受伤需要修补，可以在关节上添加这种材料。

接着他说，“当材料出现裂痕时，则会对患者发出警告信号，这时只需要患者放松关节，该材料就会实现自我修复和愈合。透过这种方式，可以对患者受伤处，进行术后的健康风险评估和观察身体复原状况。”