美研究人員定義 4D打印技術(shù),醫(yī)用植入設(shè)備也將具有“材料記憶”

隨著 3D 打印技術(shù)的不斷成熟，這一技術(shù)不斷應(yīng)用于飛機制造、軍事裝備以及醫(yī)療植入設(shè)備的生產(chǎn)與制造中，同時隨著組織細胞再生學(xué)的發(fā)展，很多生物學(xué)家將 3D 技術(shù)與組織再生學(xué)相結(jié)合，生產(chǎn)出可供移植用的 3D 類器官組織。

但來自美國羅格斯大學(xué)的研究人員仿佛對此技術(shù)并不滿足，他們開發(fā)和設(shè)計了全新了 4D 打印材料，在理論上定義了 4D 打印技術(shù)的屬性，并生產(chǎn)出柔韌、輕質(zhì)的 4D 打印材料，這些材料可以生產(chǎn)小型植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，以及用于其他領(lǐng)域的生產(chǎn)和開發(fā)。他們的研究發(fā)表于近期的Materials Horizons中。

在了解 4D 打印技術(shù)前，我們來回顧下 3D 打印技術(shù)。3D 打?。ㄒ卜Q為增材制造）通過逐層打印的方式，將預(yù)先構(gòu)建的數(shù)字藍圖轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢韺ο蟆：唵瓮ㄋc說，就是首先利用計算機構(gòu)建所需物品的三維模型，然后再通過一層一層打印的方式“堆積”具有三維結(jié)構(gòu)的物體。

而此次美國羅格斯大學(xué)的研究人員開發(fā)的 4D 打印技術(shù)基于現(xiàn)有的 3D 打印技術(shù)，但與 3D 打印后形成的固定結(jié)構(gòu)不同，4D 打印使用了特殊的打印材料，這種材料允許打印出來的物體結(jié)構(gòu)可隨環(huán)境因素的變化（比如溫度的變化）呈現(xiàn)相應(yīng)的改變。

該研究的負責人 Howon Lee 教授表示，“利用常規(guī) 3D 打印產(chǎn)生的物體的外在屬性源于其打印材料的拓撲結(jié)構(gòu)屬性。以往 3D 打印產(chǎn)品一旦被制造出來，產(chǎn)品因材料的屬性具有相對固定的特性，進而失去了相應(yīng)的適應(yīng)性和調(diào)整能力。

在他們最新的研究中，他們的研究小組展示了通過 4D 打印創(chuàng)建的幾何可重構(gòu)、功能可部署和機械可調(diào)的輕量級超材料。使用數(shù)字微型 3D 打印和形狀記憶聚合物，可以實現(xiàn)超材料硬度、幾何形狀和功能的顯著可逆性變化。當材料會隨著環(huán)境條件的改變而改變時，時間成為構(gòu)建物體超材料變形或變性的第四維度。

圖丨數(shù)字增材制造工藝示意圖(來源：Daehoon Han,Wonjoon Choi , Howon Lee. 4D Printing Reconfigurable, Deployable and Mechanically Tunable Metamaterials)

工程師們創(chuàng)造的這種新型“超材料”，經(jīng)過精心設(shè)計，這些材料的屬性完全不同于自然界中天然材料，其特性十分不同尋常，甚至可以用“違反人類直覺”來形容。以前，超材料的形狀和性質(zhì)一旦制造就不可再被逆轉(zhuǎn)。但是羅格斯大學(xué)的工程師可以用熱量調(diào)整他們的塑料“超材料”，因此它們在被擊打時會保持剛性，或者像海綿一樣變軟進而更利于吸收震動。

在室溫 73 華氏度（約 22.8 度）和 194 °F（ 90 度）之間下，這種材料的硬度可以被調(diào)節(jié)為原來的 100 倍以上，進而可以很好地減震。當溫度高于這一范圍時，其硬度下降，進而可以重新轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螤?，當溫度下降至這一范圍內(nèi)時，其又具有“材料記憶”，恢復(fù)到先前的形狀及超高的硬度。

圖丨超材料所具有溫控“材料記憶”（Daehoon Han,Wonjoon Choi , Howon Lee. 4D Printing Reconfigurable, Deployable and Mechanically Tunable Metamaterials）

Lee 說：“利用這種材料 3D 打印的醫(yī)用診斷設(shè)備也將具有“材料記憶”，在植入人體前將其卷縮，植入后再恢復(fù)其原有的形狀，這可大大減少設(shè)備植入過程中手術(shù)的創(chuàng)面，進而大大減少患者所遭受的痛苦。這一材料和 3D打印的完美結(jié)合將改善現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展、大大提高人們的健康水平和生活質(zhì)量”。