摘要：形狀記憶聚合物是一“種在外界刺激條件下產(chǎn)生形狀變化的智能材料，4D打印是基于可變形材料和3D打印技術(shù)的一—種綜合性技術(shù)，可變形材料中形狀記憶聚合物的應用最為廣泛，目前4D打印形狀記憶聚合物在各個(gè)領(lǐng)域都有應用，尤其是在生物醫療領(lǐng)域具有巨大的應用價(jià)值。4D打印技術(shù)突破了傳統醫學(xué)領(lǐng)域個(gè)性化訂制的技術(shù)瓶頸，為生物醫療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的契機。本文首先綜述了形狀記憶聚合物、3D打印技術(shù)以及4D打印形狀記憶聚合物在生物醫療領(lǐng)域的國內外研究進(jìn)展，并介紹了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫療領(lǐng)域的實(shí)例和應用價(jià)值，最后總結了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫療領(lǐng)域的應用前景、存在的問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：4D打印;形狀記憶聚合物;復合材料;生物醫療;智能結構

1引言
        形狀記憶聚合物( shape memory polymer, SMP)是-種刺激響應型材料，它可在外部刺激條件下從臨時(shí)形    狀變?yōu)槌跏夹螤?，完成一個(gè)形狀記憶循環(huán)，同時(shí)，根據形狀記憶機理不同，形狀記憶聚合物還具有多形狀記憶效應及可逆形狀記憶效應，可實(shí)現記憶多個(gè)形狀和可逆變形(圖1)。SMP具有質(zhì)量較輕、恢復性能較強、恢復條件較溫和、生物降解性、生物毒性低甚至無(wú)毒等特點(diǎn)。SMP最初是由法國Cdf Chime公司研制的一 種聚降冰烯片，隨著(zhù)第一種SMP的問(wèn)世更多性能優(yōu)良的SMP被研發(fā)出來(lái)，并在多個(gè)領(lǐng)域顯示出巨大的潛在應用價(jià)值，目前SMP已應用于各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、增材制造、服裝材料、生物醫療等，  SMP的多種優(yōu)良性能使其在生物醫療領(lǐng)域的應用尤為突出，如SMP縫合線(xiàn)、SMP牙齒矯正器、SMP動(dòng)脈瘤封堵器等，但這些SMP的結構幾乎都是簡(jiǎn)單地線(xiàn)性結構，類(lèi)似于心臟支架、骨支架、氣管支架等結構相對復雜的、個(gè)性化的、精度要求高的結構，傳統的制備技術(shù)難以實(shí)現，4D 打印的出現補充了這一不足。

圖1 SMP自折疊形變過(guò)程示意圖

在2013年2月來(lái)自美國麻省理工的Skylar.Tiberts在TED大會(huì )上首次提出4D打印技術(shù)的概念，并展示了他的4D打印研究成果。通過(guò)SMP與3D打印技術(shù)相結合，利用SMP這種具有形狀記憶功能的“智能材料”進(jìn)行3D打印形成的4D打印應技術(shù)運而生。SMP能與刺激條件之間相互作用，因此通過(guò)4D打印SMP打印出的結構在經(jīng)過(guò)外界條件的刺激(如溫度、濕度、通電、pH等)后，可產(chǎn)生相應的形狀變化(圖2) 。自從4D打印SMP結構的成功問(wèn)世，越來(lái)越多的研究人員投入到了4D打印SMP的研究中，隨著(zhù)4D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，4D 打印SMP結構具有的優(yōu)勢也更加明顯。研究表明，4D打印SMP不僅可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的形狀變化，還可以通過(guò)預先設定好其形變的方案(包括目標形狀、屬性、功能等實(shí)現自我形變、自我組裝、自我修復等多種功能。 目前4D打印SMP的方法主要有熔融沉積技術(shù)(fused deposition modeling, FDM)、立體光刻成型技術(shù)(stereo lithography apparatus, SLA)、聚合物噴射技術(shù)(PolyJet)、直書(shū)寫(xiě)技術(shù)(direct-writing,DW)等，4D打印SMP已應用于多種行業(yè)，如航空航天、電氣自動(dòng)化、機器人、紡織材料、組織工程、醫療器械、藥物輸送載體等多個(gè)領(lǐng)域2933。

圖2 4D打印原理圖

目前，4D打印SMP在組織工程、醫療器械、藥物輸送載體等生物醫療領(lǐng)域的應用已得到一系列的顯著(zhù)成果，隨著(zhù)復雜結構個(gè)性化植入器件和高精度醫療器械的要求越來(lái)越高，4D打印技術(shù)的出現有望突破智能材料與結構在生物醫療領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，成為未來(lái)各學(xué)科之間緊密合作的一個(gè)新紐帶。本篇文章主要綜述了4D打印SMP及其復合材料在生物醫療領(lǐng)域如組織工程、醫療器械、藥物輸送載體等方面的應用，并總結了4D打印SMP在這一領(lǐng)域的適用材料、制備技術(shù)、驅動(dòng)方式和主要用途，進(jìn)一一步分析了4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域應用存在的問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展情況。

圖3 4D打印形狀記憶聚合物在生物醫療領(lǐng)域的應用及潛在應用

2 4D打印SMP在生物醫療上的應用
2.1血管支架

哈爾濱工業(yè)大學(xué)Leng等人將磁性Fe3O4 納米顆粒作為功能性顆粒添加到聚乳酸(PLA)中，制備出一種可以通過(guò)磁驅動(dòng)進(jìn)行形變的形狀記憶復合材料，形狀記憶實(shí)驗顯示，基于這種材料進(jìn)行直書(shū)寫(xiě)打印的螺旋狀支架結構可以在磁場(chǎng)的作用下自主展開(kāi)，并在10秒鐘內完成整個(gè)展開(kāi)過(guò)程(圖4)。這項研究中Fe3O4納米顆粒使PLA擁有磁驅動(dòng)的性能，應用這種材料制備的自展開(kāi)血管支架可在非接觸的情況下進(jìn)行驅動(dòng)，DW為患者設計了一個(gè)完全適合自己的個(gè)性化血管支架模型。

圖4 4D打印形狀記憶血管支架在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生形變的示意圖 

自展開(kāi)血管支架，可用于治療由d血栓引起的血管狹窄等心血管疾病，當自展開(kāi)血管支架到達血管狹窄處時(shí)，通過(guò)調整外磁場(chǎng)的強度使支架展開(kāi)，血管支架直徑變大從而撐起狹窄的血管，使血液可以正常流通。雖然目前該血管支架的結構較為簡(jiǎn)單，但這種磁驅動(dòng)復合材料以及4D打印技術(shù)在生物醫療領(lǐng)域具有很大的潛力，這項技術(shù)不僅實(shí)現了醫療器械的智能遠程操控，也為微創(chuàng )手術(shù)提供了新的可能，在人體植入器件智能化和個(gè)性化定制中有巨大的應用前景，對生物醫療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展也具有重要意義。

 Kuang等人35用聚氨酯二丙烯酸酯和半結晶聚合物合成了-~種高伸縮性、柔性的新型油墨材料(Photo-curable Ink過(guò)紫外光輔助固化打印技術(shù)(UV Assisted DIW 3D Printing)制造了具有形狀記憶性能(SM)和自修復性能(SH)的智能功能彈性體。如圖5所示。形狀記憶實(shí)驗表明，升高至玻璃化轉變溫度（Tg）后該彈性體形變率可達 印的 SM 彈性體具有生物醫療器件（如血管修復、血管封堵器等）印印 SMP 技術(shù)為軟機器人和智能生物醫療器件的研發(fā)提供了研究基礎。

圖 5 彈性體的打印過(guò)程和受熱形變過(guò)程

  2.2氣管支架

 Green等人36應用SLA 3D打印技術(shù)以聚己內酯(PCL)為打印材料制備了一種氣管支架，并成功應用于治療嚴重的氣管支氣管軟化癥。根據患者的CT掃描圖像和醫學(xué)數字成像技術(shù)(DICOM)得到構建了3D氣管模型(圖6A設計STL的立體圖形(圖6B并在計算機上進(jìn)行氣管和支架模型的模擬結合(圖6C通過(guò)手術(shù)植入患者體內(圖6D)并治愈了三名患者。植入后氣管支架的體內測試表明，該氣管支架可隨患者的不斷成長(cháng)被人體生物降解，還為不滿(mǎn)--歲的患者提供了個(gè)性化訂制設計，不僅滿(mǎn)足來(lái)了患者的個(gè)性化要求，而且三年以后當患者的氣管生長(cháng)健全時(shí)材料也可被人體生物降解，免除了患者需要進(jìn)行多次手術(shù)的痛苦。以此為基礎利用3D打印SMP材料制備的具有形狀記憶效應的氣管支架應運而生。

圖6A，采用DICOM構建的3D氣管模型; B, STL立體圖形;C,在計算機上進(jìn)行與氣管

模型擬合的虛擬評估;D,氣管支架在患者體內的CT圖像

Zarek等人37應用UV-LED立體定向打印機，以10000 g/mol的甲基丙烯酸酯化聚己內酯為打印材料，成功打印了一種遇熱可以發(fā)生變形的形狀記憶氣管支架(圖7 A并進(jìn)行了相關(guān)的體內測試。體內模擬測試表明，氣管支架能更好地適應拱廊模式和氣管軟骨環(huán)，并提供一個(gè)穩定的結構，以防止氣管閉塞，這種氣管支架可以直接植入體內。體內跟蹤檢查表明，氣管支架可以隨著(zhù)溫度的局部升高而擴張，直到形狀完全貼合氣管不再改變(圖7B)。通過(guò)4D打印形狀記憶聚合物制備的氣管支架，可以根據病人氣管的個(gè)體情況制備“私人訂制支架不僅解決了傳統氣管支架因個(gè)體差異不能完全貼合病人氣管壁的問(wèn)題，而且這種氣管支架無(wú)需通過(guò)手術(shù)牽引將氣管支架固定在氣管壁上，而是通過(guò)自身形變，直接達到支撐氣管的效果。相對于 Green 等人制備的氣管支架，Zarek 等人雖實(shí)驗，但該氣管支架達到了通過(guò)自身的形狀變化撐起氣管的目的。

圖7A,形狀記憶氣管支架的制作過(guò)程;a通過(guò)MRI掃描建立的氣管、支氣管樹(shù)的數字模型;

b氣管的3D模型;c SLA打印機;d形狀記憶氣管支架; B,形狀記憶氣管支架14秒內從臨時(shí)

形狀到最終形狀的變形過(guò)程;a支架變形的側視圖，b支架變形的俯視圖 

中國也有應用4D打印技術(shù)打印氣管支架的例子。第四軍醫大學(xué)西京醫院成功救治了一名患有先天性心臟病合并嚴重氣管狹窄的嬰兒，嬰兒的患病情況比較復雜，身體條件因素導致嬰兒無(wú)法承受多次手術(shù)，西京醫院的醫生通過(guò)4D打印SMP制備了一種可在體內自行生物降解的氣管支架，患者的進(jìn)行長(cháng)期跟蹤檢查表明，氣管支架植入嬰兒體內后，氣管狹窄被治愈，隨后氣管支架可通過(guò)體內生物降解排出體外，無(wú)需二次手術(shù)取出。唐都醫院的醫生通過(guò)4D打印SMP打印了一個(gè)氣管支架，并成功將氣管支架植入一名患有氣管狹窄的患者氣管外側，手術(shù)后的第五天患者的引流管即可被全部拔除，-周以后患者呼吸困難的情況也被完全治愈。以上實(shí)例都證實(shí)了4D打印氣管支架的可行性，但4D打印制備的氣管支架的技術(shù)仍有待完善，需進(jìn)行跟多長(cháng)期的體內實(shí)驗，為后期正式投入臨床應用打下基礎。

2.3細胞支架

Miao等人利用3D光固化打印機和新型可再生大豆油環(huán)氧化丙烯酸酯材料(圖8打印出能夠支持人骨髓間充質(zhì)干細胞(hMSC) 生長(cháng)的形狀記憶支架，該支架具有形狀記憶功能并且有很高的生物相容性。形狀記憶實(shí)驗分析表明，該支架可以在-18 °C時(shí)被固定成臨時(shí)形狀，在人體溫度(37°C)時(shí)則會(huì )完全恢復其原始形狀(圖9)。細胞毒性實(shí)驗分析表明，新型的形狀記憶支架無(wú)細胞毒性，與傳統的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)相比，對hMSC的粘附和增殖具有明顯的促進(jìn)作用，與PLA和PCL沒(méi)有統計學(xué)差異。

圖 8 A, 3D 光固化打印機打印大豆油環(huán)氧丙烯酸酯材料的制備原理; B, 聚合大豆油環(huán)氧化丙烯酸酯

和常規聚合物的形狀記憶機制差異示意圖

圖9 形狀記憶支架的形變過(guò)程(被染成黑色以增強與背景對比度) 

Hendrikson等人4利用生物材料形狀記憶聚氨酯(TPU)和4D打印技術(shù)，成功打印了兩種纖維排列方向(0/90°和 0/45°)的形狀記憶支架，該支架可刺激細胞發(fā)生形態(tài)變化，并進(jìn)行了機械強度的實(shí)驗、形狀記憶表征的測定和細胞活性的研究。熱機械強度分析表征顯示，兩種支架激活形狀記憶效應的溫度均為32 °C， 表明Tg不受纖維排列方向的影響。如圖10所示將支架置于65 °C環(huán)境中，施加外力以得到臨時(shí)形狀并在4 °C下冷卻固定，將細胞接種到支架上30 °。C 培養使細胞粘附在支架上并增殖，升高溫度至37 °C支架逐漸恢復到初始形狀。形狀記憶表征的測定表明，兩種支架構型的永久形狀有良好的恢復能力，但由于兩種支架的纖維排列方向不同，0/45°的支架表現出更高的形狀恢復能力。

圖 10 A, 0/90°支架 B, 0/45°支架的形狀變化過(guò)程示意圖

培養 14 天后細胞活力研究實(shí)驗表明，如圖 11 C 和 F 所示在兩個(gè)支架上的細胞活性完全

正常；將細胞接種到支架上進(jìn)行培養，在培養過(guò)程中細胞支架逐漸恢復到初始形狀，形狀恢復后細胞會(huì )沿著(zhù)兩種支架纖維的拉伸方向生長(cháng)，呈現出一種伸長(cháng)的狀態(tài)，根據細胞形變的參

數計算伸長(cháng)率分別為 0.36 和 0.23（球形為 1說(shuō)明 4D 打印 SMP 的細胞支架可通過(guò)形狀恢復對細胞產(chǎn)生的機械刺激，導致細胞和細胞核的定向生長(cháng)。結果表明該支架的細胞相容性很好，單一機械刺激足以引發(fā)粘附細胞形態(tài)的變化。 

圖11已接種細胞的支架;A,0/90°支架俯視圖;B,0/90°支架側視圖;D,0/45°支架俯視圖;E,

0/45°支架側視圖;細胞培養14天后細胞的生長(cháng)情況: C, 0/90°支架; F, 0/45°支架

Miao等人利用天然衍生物蓖麻油與聚己內酯三醇、多異氰酸酯進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，  合成了一.種新型SMP，應用新型SMP結合PLA進(jìn)行4D打印，制備了一種具有形狀記憶效應和高度生物相容性的組織支架，該支架還會(huì )隨時(shí)間出現仿生梯度空隙結構。支架的機械性能分析表明該支架的空隙度可以通過(guò)改交新型SMP的填充密度來(lái)實(shí)現，填充密度越大，PLA降解后會(huì )出現的空隙越多;該支架的直徑為5mm，空隙之間的距離從240μm增加到560μm(圖12A空隙從頂部到底部成梯度分布，這種梯度空隙度是模擬天然組織中的梯度空隙，組織細胞可以向內生長(cháng);空隙之間相互連通，可細胞成長(cháng)輸送所需的營(yíng)養元素，也可排出細胞產(chǎn)生的。

圖12A，支架中孔隙分布的SEM圖像。B, 5種不同密度的組織支架的形變過(guò)程;a,支架的原始形狀; b,在-18 °C時(shí)臨時(shí)形狀;c, 37 °C時(shí)0秒;d, 37。C時(shí)10秒;e, 37°C時(shí)3分鐘;C,細胞培養1天和5天后，PCL支架和組織支架上的間充質(zhì)干細胞(MSC)增殖情況和生長(cháng)形態(tài)的共聚焦顯微鏡圖像

形狀記憶性能分析顯示組織支架Tg的范圍為-8 °C至35 °C,在-18 °C環(huán)境時(shí)將支架制備成臨時(shí)形狀，在體溫環(huán)境時(shí)可恢復為初始形狀,  形狀恢復率為92%;  掃描電子顯微鏡顯示組織支架具有梯度微空結構;細胞培養實(shí)驗證明，以PCL支架為對照組，梯度空隙組織支架對MSC表現出粘附性，并且可誘導細胞的增殖和分化(圖12C)。

通過(guò)4D打印SMP制備的細胞支架可以誘導細胞的增值和分化，Miao等人從材料入手合成了新型可再生大豆油環(huán)氧化丙烯酸酯材料，與傳統的PEGDA相比增強了細胞的粘附和增殖;  Hendrikson等人從改變支架的纖維排列方向入手，制備了兩種纖維排列方向的細胞支架，證實(shí)了細胞支架的形變對細胞產(chǎn)生的機械刺激，可以導致細胞和細胞核的定向生長(cháng);Miao等人從支架的內部結構入手，制備了具有仿生梯度空隙結構的支架，細胞可延空隙向內生長(cháng)，空隙還可以起到運輸營(yíng)養和代謝的作用，這三個(gè)實(shí)例從不同角度開(kāi)發(fā)和測試了4D打印SMP細胞支架的一些優(yōu)良性能。目前，適用于4D打印并具有高生物相容性的SMP種類(lèi)還是很少，通過(guò)4D打印技術(shù)和高度生物相容性智能生物材料的研發(fā)，將引導未來(lái)新型的功能性生物醫學(xué)支架的設計和開(kāi)發(fā)。

2.4骨支架

Senatovn等人將PLA與羥基磷灰石(HA)以20: 3的質(zhì)量比混合，通過(guò)FDM打印了一種具有形狀記憶功能用于骨缺損的多孔支架，并進(jìn)行了機械性能、結構特性和形狀記憶效應等方面的測試。HA顆粒有序化過(guò)程分散在PLA分子鏈中形成剛性固定相，這降低了分子的流動(dòng)性，導致材料的Tg從53 °C升高至57.1 °C， 形狀記憶測試證明支架的恢復應力有所增加; PLA/ HA多孔支架經(jīng)受三次壓縮-加熱-壓縮的循環(huán)過(guò)程并沒(méi)有分層，最高形狀恢復率為98%，PLA/HA多孔支架的形狀記憶效應可以作為自體植入物用于修復小骨缺損。圖13為用于骨缺損的多孔支架的形狀記憶效應的變化過(guò)程。

圖13通過(guò)壓縮固定PLA/HAP多孔支架的臨時(shí)形狀，加熱后恢復至初始形狀

隨后，Senatov 等人44對PLA/ HA多孔支架進(jìn)行了相關(guān)的生物實(shí)驗。細胞培養實(shí)驗表明MSC可在支架上快速附著(zhù)，通過(guò)光學(xué)顯微鏡(圖14A、B)觀(guān)察HE染色的MSC表現出優(yōu)異的細胞粘附并形成細胞網(wǎng)絡(luò )，用免疫熒光分析法測定抗CD105-FITC染色的細胞(圖14C、D、EMSC在支架上廣泛擴散并與支架表面形成強烈的相互作用。3D打印的多孔PLA/HA支架對MSC具有優(yōu)異的黏合性能，支持細胞存活的同時(shí)還能刺激細胞的增殖，這是其醫學(xué)應用的關(guān)鍵前提因素;支架中MSC的存在有利于植入部位的血管形成，這種可支持MSC生長(cháng)增殖的形狀記憶支架，在骨替換自適應植入物的應用中具有巨大的前景。

圖14 PLA / HA 支架表面的 MSC, 光學(xué)顯微鏡: A, 0.5 mm; B, 350 μm; 免疫熒光測定: C,

 400 μm; D, 200 μm; E, 150 μm

2.5心臟支架

Cabrera等人通過(guò)FDM與醫學(xué)技術(shù)結合制備了一種可應用于心臟瓣膜體內重塑手術(shù)的支架。該支架可通過(guò)微創(chuàng )植入手術(shù)植入心臟，植入前將支架放置在卷曲裝置內(圖15A)將其直徑減小到10 mm (圖15B再將支架從卷曲裝置轉移到直徑為12 mm的植入工具內(圖15C卷曲支架置于在37°C的水浴中，模擬輸送支架的心臟環(huán)境，逐漸將支架推出植入工具支架會(huì )自動(dòng)膨脹為設計好的形狀(圖15D-H)。這種支架具有網(wǎng)狀結構，可以縮小到一定程度，并在植入后發(fā)生膨脹從而自動(dòng)還原成最初的形狀，適用于兒科患者。機械性能測試表明，其機械性能可與動(dòng)物試驗中用于心臟瓣膜植入的常規鎳鈦合金支架相媲美。體外降解表征實(shí)驗證明了該支架還可以被生物降解。采用4D打印技術(shù)制備網(wǎng)狀結構的形狀記憶心臟支架在生物醫療領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景。

圖15用于心臟瓣膜體內重塑手術(shù)支架的體外模擬植入過(guò)程;A,支架放置在壓縮裝置內;B,支架卷

曲至直徑約10mm;C，將支架轉移至內徑為12mm的經(jīng)心尖輸送裝置內;D-H,在37 °C水浴中，

支架被推出植入工具時(shí)自擴張過(guò)程

2.6其他應用

Yang等人使用改進(jìn)的FDM,以PLA或聚醚酮(PEEK)與連續碳纖維(CF) 為打印材料(圖16)進(jìn)行4D打印，制造了兩個(gè)(CF/ PLA和CF/ PEEK)可以通過(guò)溫度直接或電間接激活達到形變效果的智能結構件(圖17)。熱機械強度分析顯示加熱或通電后智能結構內部連續CF的表面與PLA/PEEK基底層之間的熱失量不同，導致其發(fā)生彎曲行為;電熱變形力測試表明，當環(huán)境溫度達到Tg時(shí)，兩種智能結構件可達到最大變形。這種可由熱或電驅動(dòng)產(chǎn)生形狀變化的4D打印智能復合材料，可適用于仿生傳感器和人造肌肉的制造。

圖 16 用于 CF 和 PLA/PEEK 共擠出的改進(jìn) FDM 制備工藝示意圖

圖17 CF /PLA智能構件和CF /PEEK智能構件(mm)  

麻省理工學(xué)院的研究人員利用4D打印技術(shù)制造一一種微型藥物膠囊，通過(guò)溫度驅動(dòng)使這種膠囊發(fā)生相應的形狀變化，當人體因某些疾病引起發(fā)燒的癥狀體溫過(guò)高時(shí)，膠囊會(huì )發(fā)生形變其中的藥物就會(huì )被釋放出來(lái)，通過(guò)體溫對藥物的釋放時(shí)機進(jìn)行了進(jìn)一步的控制，在人類(lèi)對體溫的上升還不敏感時(shí)，第-一時(shí)間釋放藥物，這是傳統的藥物做不到的。

第四軍醫大學(xué)西京醫院研制并開(kāi)發(fā)了一種可生物降解的材料，基于這種材料應用4D打印技術(shù)打印了一種可以生物降解的義乳，成功將義乳植入到患者體內進(jìn)行乳房重建?；颊咭蚧加腥橄侔┬鑼?shí)施乳腺組織全切手術(shù)，在乳腺組織全切手術(shù)前，進(jìn)行惠病乳房及病變乳腺組織的MRI薄層掃描和核磁共振成像掃描，采集乳房及乳腺腫瘤的立體影像信息輸入計算機軟件進(jìn)行立體建模和模擬切除，設計義乳的模型并進(jìn)行4D打印。在實(shí)施乳腺腫瘤切除的同時(shí)將制作好的4D打印義乳植入腫瘤切除的部位，完成乳房的重建。術(shù)后的長(cháng)期跟蹤檢查發(fā)現，義乳與組織相容性良好，自體纖維血管組織開(kāi)始生長(cháng)，并逐漸生長(cháng)進(jìn)入義乳內，義乳可在之后的2年內被人體自身完全降解，自體的纖維組織最終會(huì )完全替義乳，這種4D打印SMP的義乳不僅避免了體內殘留，并且保證了乳房的外形，提高患者生活質(zhì)量。

3 4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域的應用前景

表1總結了4D打印SMP的在生物醫療領(lǐng)域的應用前景，根據現有文獻及報道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校在4D打印技術(shù)與SMP的研究領(lǐng)域處于國內領(lǐng)先地位。西安交通大學(xué)李滌塵課題組[48]提出將離子交換聚合金屬材料( ion-exchange polymer metal composite, IPMC)、介電彈性體( Dielectric elastomer,DE)、SMP等智能材料與4D打印技術(shù)結合，制造出了多自由度操作臂，可應用于微創(chuàng )手術(shù)器械中。國外也有相應的例子，來(lái)自喬治亞技術(shù)學(xué)院的Qi和新加坡科技大學(xué)的Gel共同開(kāi)發(fā)研制了對溫度敏感的SMP,基于這種SMP與其他材料混合物進(jìn)行4D打印，打印出的結構經(jīng)過(guò)溫度驅動(dòng)后，可以按照設計好的形狀變化從臨時(shí)形態(tài)回復為初始形態(tài)，在醫療器械、人體器官支架中擁有巨大的使用潛力:德克薩斯大學(xué)達拉斯分校的Shaffer等人[50]將輻射后交聯(lián)后的PLA進(jìn)行FDM4D打印的結構件在醫療器威的研發(fā)具中有巨大的應用前景;來(lái)自麻省理工大學(xué)的Giladman等人口應用4D打印技術(shù)，以纖維素和丙烯酰胺的共聚水凝膠為打印材料，根據人體的器官形態(tài)再通過(guò)計算機進(jìn)行程序編碼，打印了-一種可以醫學(xué)植入的仿生器官模型，這種仿生器官模型在植入人體后，一部分的組分會(huì )被人體降解，而人體組織將向內生長(cháng)，形成新的組織或器官，從而發(fā)揮原有器官的作用，目前該研究小組繼續使用這種材料，并通過(guò) 4D 打印技術(shù)制成了一種新的心臟支架，這種心臟支架在離心臟較遠的靜脈注射進(jìn)去，通過(guò)血液循環(huán)系統可以到達心臟的指定位置，然后進(jìn)行自我組裝成為血管支架。4D打印將材料學(xué)與醫結合結合在一起，是現代科學(xué)研究中 “醫工結合”一個(gè)完美的體現，并在未來(lái)的生物醫療領(lǐng)域發(fā)展中發(fā)揮更重要的角色。

表 1 4D 打印SMP 的在生物醫療領(lǐng)域的應用前景

4 4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域面臨的問(wèn)題及發(fā)展方向

顯而易見(jiàn)的是4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域具有廣泛地應用前景，但生物醫療對醫療器械以及相關(guān)結構的要求很高，科研階段與實(shí)際應用之間還有很多問(wèn)題亟待解決。因此，4D打印SMP的生產(chǎn)和投入臨床使用還需解決以下幾個(gè)問(wèn)題:

 1 .4D打印技術(shù)不夠成熟: 4D打印技術(shù)的概念仍然比較新，存在打印時(shí)間過(guò)長(cháng)、材料種類(lèi)與打印機不配套、打印機精度不夠高等問(wèn)題，相應的技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，為了研究和開(kāi)發(fā)更多高精度的醫療器械，4D打印技術(shù)領(lǐng)域必須解決以上問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)適用于生物醫療領(lǐng)域的4D打印技術(shù)是4D打印的發(fā)展方向之一。

2.材料性能不夠好:目前國內外的SMP種類(lèi)繁多，但真正適用于生物醫療領(lǐng)域的形狀記憶材料卻寥寥無(wú)幾，主要問(wèn)題在于:首先，SMP的Tg過(guò)高，身體難以承受;其次，有些SMP的機械強度不能滿(mǎn)足醫療器械的強調度要求;最后，介、植入醫療器件要求SMP具有可生物降解性和生物相容性。目前，適用于生物醫療應用的SMP種類(lèi)較少，針對生物醫療領(lǐng)域研發(fā)具有Tg較低、生物降解性好、生物相容性好等性能的新材料，匹配4D打印技術(shù)無(wú)疑是接下來(lái)它的發(fā)展方向之一。

3.驅動(dòng)方式單一:眾所周知，SMP的驅動(dòng)方式有熱驅動(dòng)、電驅動(dòng)、光驅動(dòng)、磁驅動(dòng)、pH驅動(dòng)、離子驅動(dòng)、酶驅動(dòng)等，而適用于生物醫療領(lǐng)域的驅動(dòng)方式多數還只局限于熱驅動(dòng)，因此，需要發(fā)展多激勵響應的SMP復合材料。應用磁驅動(dòng)和pH驅動(dòng)實(shí)現遠程驅動(dòng)控制在未來(lái)SMP的驅動(dòng)方式必然會(huì )在這兩個(gè)方面找到更多的突破口，以達到生物醫療的應用要求。

4.4D打印構件的功能應用驗證:目前幾乎所有4D打印SMP的結構件還停留在已打印出成品，未進(jìn)行生物實(shí)驗的階段，雖然許多SMP在細胞毒性試驗中被證明無(wú)毒，但若將4D打印結構件安全有效地應用在體內，少不了臨床實(shí)驗的漫長(cháng)研究，國內外對4D打印結構件在生物醫療領(lǐng)域的研究還停留在實(shí)驗室的初步階段，走出實(shí)驗室走向臨床應用還存在著(zhù)許多挑戰。

5結論與展望

本文分別介紹了SMP和4D打印技術(shù)的發(fā)展情況，并介紹了國內外4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括血管支架、氣管支架、細胞生長(cháng)支架、骨支架、心臟支架、藥物釋放、義乳、仿生元件等方面的研究成果及其應用研究前景，最后指出了4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向。4D打印SMP在生物醫療領(lǐng)域的應用打破了傳統醫療器械的技術(shù)瓶頸，為臨床的微創(chuàng )手術(shù)、減少手術(shù)次數、藥物緩控釋、組織器官代替等方面帶來(lái)了更多的可能性，并且4D打印SMP可以針對患者的個(gè)人情況快速準確的提供醫療服務(wù)，為患者提供個(gè)性化訂制的治療方案，減少患者痛苦提高生存質(zhì)量。4D打印SMP為生物醫療的進(jìn)一步發(fā)展提供了一個(gè)全新的發(fā)展方向，隨著(zhù)越來(lái)越多新型可用于生物打印的形狀記憶材料研發(fā)成功，4D打印機不斷開(kāi)發(fā)，更多的個(gè)性化智能醫療器械會(huì )被應用在未來(lái)的生物醫療領(lǐng)域，4D打印SMP與生物醫療領(lǐng)域的有機結合是未來(lái)醫療領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢

（文章來(lái)源：《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》）

（作者：李春妍1， 張風(fēng)華 2，王亞立1，鄭威 1，劉彥菊 3，冷勁松 2 

1. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究中心；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復合材料與結構研究所 ；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天工程與力學(xué)系）