一朵由特殊材料「打印」出來的花朵，隨著溫度的變化可以綻放或回縮到花骨朵的狀態；一個簡單的十字形材料，可以在電的驅動下變身類似夾娃娃機器的夾子抓取一定的重物……3D打印技術方興未艾，4D打印技術翩翩然而來。
近年來，4D打印技術越來越多地被提及。什麽是4D打印？江南大學生命科學與健康工程學院教授張燕告訴【新華日報·科技周刊】記者，在3D打印的基礎上，4D打印技術增加了時間維度。打印原材料可以針對外界環境給予的光、熱、磁、電等刺激敏銳響應，並且伴隨著時間推移發生性質形狀的改變。「簡而言之，4D打印技術實作了模型的動態轉化。這種柔性材料給了我們更多改造的機會，比如，可以透過調整溫度、熱量、電磁等可變元素，讓它在特定場合軟硬適宜。」
想要「造型百變」，4D打印的原材料尤為關鍵。於是，功能水凝膠就成為了這樣的「天選之材」。其實，近十年來，以功能水凝膠為代表的智慧材料正迅速發展。這種以水為分散介質的三維網狀材料不僅在水中可以迅即溶脹，而且能夠在內裏保持大量的水而不會溶解，已被廣泛運用於農業、建築、石油、醫療等領域。
（a）不含HPASi的水凝膠的形狀記憶效能；（b）燈泡開關；（c）花瓣閉合；以及（d）抓取5 g重量的圖片
其中，具有時間依賴和刺激響應的「形狀記憶性3D打印水凝膠」已開啟新一代4D打印模式。只不過，目前市場上4D打印水凝膠以有機合成高分子為主，存在化石相容性不佳的缺點，相比之下，由膠原、明膠或透明質酸等天然高分子制成的水凝膠通常缺乏良好的機械強度，在受到外力作用下抵抗變形和破壞的能力較弱。
如何改進這一局限性？江南大學團隊進行了一種大膽的嘗試。他們以天然明膠蛋白作為材料，采用亞胺和狄爾斯-艾爾得（DA）雙重可逆反應，構建了雙網路水凝膠。這種水凝膠在實作良好化石相容性的同時，還具備非常高的熱穩定性、耐酸性，而且足夠「牢固」，可以抵抗較強的外來作用力。
不僅如此，這種雙網路水凝膠材料的制作過程也比較簡單，有點像制作蛋糕的過程。張燕介紹，想要制作這款水凝膠，首先需要放置原材料——把胺基功能化明膠與兩種化學物質、溫度響應劑按照一定的比例進行混合；之後，開始攪拌——需要在40℃的情況下攪拌半個小時左右；最後，進入「烹飪模式」——倒入模具在65℃的烘箱中幹燥。8小時後，就可以得到4D打印水凝膠了！不僅如此，逐步增加溫度響應劑的濃度，還可以得到3種不同響應速度的水凝膠。
未來，這種經過改良的水凝膠可用於軟體機器人的電子皮膚、肌肉材料，以及醫藥領域的響應性藥物釋放。「我們的水凝膠化石相容性非常好，甚至可以做植入性的智慧醫療器械。」張燕表示。
其實，在醫療領域，已經有了關於智慧醫療器械的嘗試。南京醫科大學附屬兒童醫院骨科主任醫師鄭朋飛就給記者簡單介紹了2個未來可以運用的場景。比如，利用4D打印技術制作的體內植入支架，在植入患者體內前可以進行變形處理，使之體積最小。當支架進入人體內的指定位置後，又可以透過外界的一定刺激使其恢復設定的形狀以發揮功能，這樣支架就可以經過一個很小的切口就能植入體內，減少患者的痛苦，加速康復。
當運用4D打印技術制作的記憶合金材料作為骨折治療的接骨器械時，不僅可以將患者的骨折兩端固定，而且在恢復原形狀的過程中可以產生壓縮力，使骨折兩端復位後接合在一起，類似於武俠小說中的「黑玉斷續膏」。「想象一下，如果這些記憶合金材料又是可以體內降解吸收的，患者的骨頭長好後就不需要再去醫院拆‘鋼板螺釘’，從而免除了患者需要進行多次手術的痛苦。」
鄭朋飛表示，多維打印為生物醫療的進一步發展提供了一個全新的方向。隨著越來越多新型可用於生物打印的材料研發成功，更多的個人化、智慧化的醫療器械會被套用在生物醫療領域，5D、6D打印已經出現在了一些基礎研究領域。「縱然目前多維打印的研究尚處於增材制造構件形狀變化的現象演示階段，其設計理論與方法、數據處理與工藝技術以及由此帶來的倫理問題都還需要進一步研究。但我們有理由相信多維打印在醫學領域的潛力依然巨大，對人類生命健康的終極奧秘仍需我們不斷地努力探索。」
新華日報·交匯點記者 葉真 王甜
