综述：4D打印技术及其在生物医学科学中的应用探索

这篇综述深入探讨了4D打印（4D Printing）技术的革命性潜力，聚焦其通过智能材料（Smart Materials）和刺激响应机制实现的结构动态演化特性。文章系统梳理了4D打印在血管支架（Vascular Stents）、骨支架（Bone Scaffolds）等生物医学应用中的突破，揭示了该技术超越3D打印（3D Printing）的自组装、多功能化和自修复优势，为精准医疗提供了创新解决方案。

　　

Abstract

4D打印技术正以可编程的时空动态特性重塑生物医学领域。与静态的3D打印不同，4D打印通过数学建模和多材料结构设计，使物体能在温度、湿度等外界刺激下发生预定的形状/性能/功能演变（Shape/Property/Functionality Evolution）。这种智能行为源于刺激-材料相互作用机制，为制造自组装（Self-assembly）、自修复（Self-repairing）的医疗器械开辟了新途径。

智能材料与激活机制

核心突破在于形状记忆聚合物（SMPs）、水凝胶（Hydrogels）等智能材料的开发。当遇到特定生理环境时，这些材料会触发精确的形态转变——例如温度响应型血管支架在植入后自动展开，或pH敏感型骨支架在病灶部位缓释药物。研究特别强调了光固化（SLA）和熔融沉积（FDM）等3D打印技术如何通过多材料协同打印实现复杂结构编程。

生物医学转化应用

• 血管工程：4D打印支架可模拟血管的机械适应性，在血流剪切力作用下动态调整管径

• 骨组织再生：搭载生长因子的梯度孔隙支架能随降解过程逐步改变力学支撑强度

• 气管重建：形状记忆合金（SMAs）支架在低温下柔性植入，体温激活后恢复支撑形态

• 心脏补片：电活性聚合物（EAPs）打印的补片可与心肌同步搏动

挑战与展望

尽管在分辨率（<100μm）和生物相容性方面仍存瓶颈，但4D打印已展现出精准调控细胞微环境（如4D生物打印动态细胞支架）的独特优势。未来或将实现"活体打印"——通过4D材料引导组织原位再生，这需要跨学科融合计算建模、智能材料和生物制造技术。