综述：聚合物4D打印的最新进展：3D打印技术、智能材料设计与医疗应用

本综述系统阐述了聚合物复合材料4D打印领域的最新突破，重点聚焦三大核心领域：3D打印技术（包括FDM、DIW、IJP、VPP等）、智能材料（如SMP、LCE、MSM、水凝胶）的分子工程与结构设计，及其在医疗设备、软体机器人、可穿戴传感器、药物递送和组织修复/再生等健康医疗领域的创新应用，为下一代个性化医疗解决方案提供了前沿视角和发展方向。

　　

3D打印技术

第四维度（4D）打印自2013年首次概念化以来取得了巨大进展。4D打印是三维（3D）打印的一个新兴分支，允许打印部件在外部刺激下随时间改变形状和性能。它彻底改变了具有定制几何形状和编程动态功能的智能聚合物复合材料的制造方式，扩展了工程和医疗应用。本综述全面概述了聚合物复合材料4D打印的最新进展，重点介绍了三个关键领域：3D打印方法、智能材料设计及其医疗应用。

增材制造（AM），即3D打印，使用数字模型创建具有出色几何和功能复杂性的物理对象，在工程和医疗领域有着广泛的应用。对能够改变形状、性能或功能的材料、结构或设备的追求一直是智能材料和制造研究界几十年来的焦点。将智能材料用于3D打印能够创建动态结构，这被称为4D打印。4D打印最初由Skylar Tibbits在TED演讲中提出，并于2013年由Qi及其同事在一篇研究论文中扩展。从那时起，4D打印已成为中国、美国、德国和印度等领先国家的热门研究课题。

最初，4D打印被定义为“3D打印+时间”，其中第四维度是时间。如今，4D打印的一个流行定义是，3D打印结构的形状、性能和功能在3D打印后，在预定刺激下随时间变化。与通过传统3D打印惰性结构构建的静态部件相比，4D打印使用刺激响应智能材料来打印动态部件，以实现按需的多功能性。4D打印是一种跨学科技术，受益于3D打印技术、智能材料和设计的协同进步。

各种3D打印技术，包括基于挤出的打印、喷墨打印和光固化打印，已用于4D打印，显示出不同的材料要求和打印性能。 driven by the need to replicate the complexity and dynamics of biological systems, multimaterial printing has been developed to create parts with location-specific compositions and physicochemical properties. 多材料打印技术极大地扩展了4D打印中增强多功能性的设计和性能空间。此外，一些新兴的打印技术，如连续液体界面生产和体积打印，推动了3D打印向更快、更高分辨率和更复杂的方向发展，使4D打印应用受益。

在4D打印中，刺激响应智能材料对于3D打印功能结构至关重要。各种材料，包括聚合物、金属和陶瓷，已用于4D打印。与金属和陶瓷相比，智能聚合物重量轻、易于合成、成本低、具有多样的刺激响应性和用于形状编程的大变形能力。因此，大多数4D打印利用智能聚合物的功能性。智能聚合物在分子水平上与外部刺激相互作用，在宏观尺度上表现出刺激触发的时间变异的形状和特性变化。分子工程智能材料，包括形状记忆聚合物（SMP）、液晶弹性体（LCE）、磁活性软材料（MSM）和环境响应水凝胶，已被开发用于刺激触发的形状转变。此外，结构工程，例如仿生双层设计，由于多材料打印而被用于设计智能材料和结构。另外，建模方法，包括多物理场、拓扑优化和机器学习，已被用于指导智能材料的设计，以实现目标形状编程。

4D打印是3D打印技术的一项令人兴奋的进步。与3D打印一样，它可以创建复杂的结构。然而，4D打印提供了额外的好处，因为它利用了智能材料，使其与传统3D打印技术区分开来。首先，它允许直接制造智能设备，这些设备可以通过改变形状或功能来响应和适应环境刺激。其次，编程的自折叠节省了打印时间和材料，特别是在制造薄壁或晶格结构时。第三，形状变换特性节省了存储/运输空间，并有利于微创植入。通过3D打印构建解剖学和个性化结构的定制能力以及额外的刺激自适应功能对医疗应用特别有价值。此外，4D打印已扩展到使用由活细胞成分（如单/多种细胞类型、球体和类器官）组成的生物墨水进行生物制造，称为4D生物打印。这允许直接构建仿生工程活体组织构建体，这些构建体表现出诱导的形态发生转变、调节的细胞行为（包括增殖和分化）和宏观生长。因此，4D打印已成为一个新兴领域，在健康和医学领域找到了令人兴奋的应用，包括智能医疗设备、软机器人、可穿戴设备/传感器、药物输送和组织重建/再生。

智能材料与设计

智能材料可以通过刺激响应聚合物的分子工程或具有不同形状变化机制的智能结构的结构工程来设计。基于形状变化机制，我们分类了四种广泛使用的刺激响应智能材料：形状记忆聚合物（SMP）、液晶弹性体（LCE）、磁活性材料（MSM）和水凝胶。智能聚合物的形状变化是通过外部刺激（如热、光、pH值和化学品）编程内在分子相互作用来实现的。此外，微米或纳米颗粒可以嵌入聚合物中以增强刺激响应的多功能性并改善物理化学性质。除了材料工程方法之外，结构设计（例如双层和多材料设计）极大地扩展了智能材料库。与智能材料的直观设计相比，多物理场建模和其他新兴的基于计算的设计方法（如机器学习（ML））可以极大地扩展属性空间并加速智能材料设计。

刺激响应智能聚合物

用于4D打印的SMP

SMP是最早用于4D打印的材料之一。SMP是一种智能材料，可以通过形状记忆效应（SME）在外部触发器的存在下保持临时形状然后恢复其永久形状。临时形状可以通过在转变温度（T_t）以上以低刚度状态变形材料并通过冷却固定以固定聚合物链来编程。半结晶聚合物的熔化温度（T_m）和无定形聚合物的玻璃化转变温度（T_g）作为形状编程中SME的T_t。多种聚合物，包括环氧树脂、聚丙烯酸酯、环氧-丙烯酸酯杂化物和半结晶聚酯（如聚乳酸，PLA），已使用不同的技术作为4D打印中的SMP。

用于4D打印的LCE

LCE是一类软活性材料，以其在施加外部刺激（如热或光）后能够可逆驱动的能力而广为人知。LCE由共价连接到聚合物网络的液晶介晶组成。介晶可以在特定温度（T_NI）下在未排列（各向同性）状态和排列（向列）状态之间发生转变。此外，光反应，例如偶氮苯异构化（通过反式到顺式转变）可以作为LCE介晶用于光触发可逆驱动。LCE分为三个主要类别，包括主链LCE、侧链侧挂LCE和端基侧挂LCE。为了实现刺激触发的可逆驱动，LCE介晶应在聚合物网络中排列。各种排列方法，包括机械拉伸、偏振光图案化、剪切力和磁场，已被纳入3D打印中以用于4D打印。

用于4D打印的磁活性材料

磁场已被用于远程触发磁性响应聚合物复合材料的形状变化，这些材料由软聚合物基质中的磁性颗粒组成，具有广泛的应用。根据矫顽磁性（H_c），即抗退磁能力，磁性颗粒可分为超顺磁性材料（接近零的H_c）和铁磁性颗粒（低到高的H_c）。铁磁性材料进一步分为软磁性和硬磁性材料，取决于H_c水平。软磁性材料（如铁）由于低矫顽力而形成尖锐、狭窄的磁B-H回路。软磁颗粒不能维持低残余磁通密度（B_r）。相比之下，硬磁性材料（如钕铁硼，NdFeB）表现出更高的H_c，并且一旦磁化到饱和，即使在移除外部场后也能保持高的B_r。

磁触发的形状变化机制可分为感应和体积力为基础的方法。超顺磁性和软磁性材料，如铁和氧化铁（Fe₃O₄），已被添加到智能材料中，如SMP和LCE基质，以制造和打印磁性响应聚合物复合材料。在交变磁场下，这些复合材料可以通过不同的物理现象（包括奈尔弛豫和涡流）进行快速感应加热来改变形状。加热产生和传导过程本质上限制了基于加热的形状变化的驱动速率。最近，磁活性软材料（MSM）被开发用于在静态磁场下快速、无束缚的形状驱动，利用磁场-磁偶极子相互作用施加在材料上的扭矩和体积力。

用于4D打印的水凝胶复合材料

水凝胶由亲水性聚合物网络渗透大量水组成，能够在水和体液中膨胀或消溶胀。水凝胶聚合物网络通常包含亲水性官能团，如-NH₂、-COOH、-OH和-SO₃H，这些基团可以与水分子结合。环境响应水凝胶可以通过由于改变的聚合物-水相互作用导致的水分吸收和释放来改变其尺寸或形状。均质水凝胶表现出简单的膨胀和收缩各向同性变形。为了获得更复杂和高阶的变形，例如弯曲、扭曲和突然屈曲，梯度刺激场和异质材料结构已被使用。3D打印提供了一种强大的方法来制造具有复杂结构和异质复合材料的功能性水凝胶，用于4D打印中复杂且控制良好的形状变化。

智能材料的结构工程

尽管可以打印单一材料制成的复杂几何形状的智能材料，但变形路径和模式相对简单。利用多材料打印的巨大进步，智能材料的结构设计已被广泛用于扩展4D打印中的功能复杂性。

仿生双层设计已被广泛用于创建智能材料和结构。在自然界中，松果和小麦芒等植物依靠具有排列纤维的双层结构的（去）水合作用来触发形状变化。受此启发，具有一层智能材料（活性材料）和一层被动惰性材料的双层设计已被广泛使用。活性层可以是任何智能材料，包括水凝胶、SMP或LCE，它们可以响应外部刺激，如水（或水分）、光、湿度和温度。两层之间的应变失配可以通过收缩或膨胀在刺激下发展，驱动编程的形状转变。

智能材料的建模引导设计

许多刺激响应材料的形状转变涉及刺激-物质相互作用的复杂多物理场。因此，多物理场建模已成为指导智能材料合理设计的强大工具。例如，开发了理想硬磁软材料的简单本构模型来指导MSM的设计。在外部施加的磁场下，总应力（包括磁和机械应力分量）以及由此产生的复杂结构的有限变形可以通过有限元分析（FEA）进行分析。

无论具体的材料系统和驱动机制如何，设计精确的材料结构以实现所需的复杂转变仍然是一个重大挑战，因为设计和属性空间巨大。为此，与新颖优化策略相结合的机器学习（ML）方法已被证明在优化体素级材料分布方面是有效的。例如，开发了ML-顺序子域优化（ML-SSO）方法，采用循环神经网络作为快速替代模型来预测形状变化。SSO算法利用结构中固有的顺序依赖性，结合ML，显著加速空间主动/被动材料分布优化。

拓扑优化（TO）长期以来一直是通过消除低效材料区域来设计轻质结构的强大计算工具。它也在4D打印中进行了广泛探索，以加速材料分布的设计。TO的潜力已从结构效率扩展到指导功能结构的设计，例如活性复合材料、软执行器和嵌入式传感器。

医疗应用

智能聚合物使得能够开发3D打印的生物医学设备，例如定制的假体、手术器械和诊断工具，以满足增强的性能和患者特定需求。支架是放置在解剖管道内的小型管状支架，用于在患病区域（最显著的是血管）存在阻塞或狭窄时提供结构支持、恢复通畅并促进愈合。传统支架通常是金属或聚合物的，需要直接手术植入，并依赖于可能导致随时间推移出现再狭窄和血栓形成等并发症的静态几何形状。4D打印的最新进展引入了刺激响应智能材料来制造可以在生理或外部刺激下改变形状或实现受控药物洗脱的支架。智能支架可以进行预编程部署以进行微创植入，并提高其体内的适应性。在体内植入后，紧凑的形状将扩张以精确贴合目标部位，确保贴合并减少机械创伤的风险，从而获得更好的结果。

软机器人因其能更好地与生物系统接口而不损伤目标组织而广泛应用于医疗保健。具有编程形状驱动能力的4D打印软机器人可以促进微创植入或直接用作医疗设备。

智能材料重新定义了用于可穿戴技术的纤维和材料，实现了超越传统纺织品的增强舒适性、性能和适应性。4D打印已被用于制造刺激响应智能织物和纺织品，用于自适应透气性、温度调节、水分吸收和蒸发管理。这种方法在开发智能服装和传感器驱动的可穿戴设备方面很有价值。具体来说，具有触发可逆形状驱动的LCE纤维已被用于具有响应能力的智能纺织品。

药物输送利用新颖的生物材料设计来实现药物输送的空间和时间控制。水凝胶作为药物载体很有前景，因为它们具有可调节的物理化学性质、良好的生物相容性、生物可降解性和最小的免疫原性。水凝胶可以由于其高保水能力而在像体液这样的水性环境中快速膨胀。传统的水凝胶药物释放是被动触发的，并由药物通过聚合物网络网格的扩散控制。小分子药物（小于聚合物网络网格尺寸）会经历突释，而大分子药物释放非常缓慢。将水凝胶应用于药物输送时，精确控制药物-聚合物相互作用至关重要。4D打印的刺激响应水凝胶可用作按需药物释放的智能货物和支架。与基于扩散的药物释放相比，智能水凝胶实现了由刺激（如pH、渗透压、温度和光）触发的主动药物释放。

智能材料可以设计为具有生物相容性、生物可降解性和形状变化能力，以增强在组织工程和再生医学中的应用。利用细胞牵引力驱动的自折叠折纸结构来构建载细胞的组织构建体。细胞在培养过程中产生的细胞收缩力逐渐转化支架。通过控制水凝胶层的溶胀状态和降解阶段，实现了多层载细胞水凝胶的多阶段和多重形状变化。最近，通过体积打印热收缩水凝胶实现了高精度4D生物制造。水凝胶管的收缩特性使得能够进行防漏灌注用于细胞接种，并在小至100–170 μm的通道中实现连续单向流动。这突出了在先进体外模型中可扩展、高精度管状支架制造的潜力。

观点与结论

4D打印在过去10年中取得了巨大进展。这是由3D打印技术、智能材料和设计的跨学科进步推动的。传统的3D打印通常仅限于单一材料打印，而新兴的多材料打印通过空间控制材料组成和性能实现了增强的几何和功能复杂性。分子和结构工程已被广泛用于设计不同尺度的刺激响应智能材料。四种类型的智能材料，包括SMP、LCE、MSM和水凝胶，已被开发用于4D打印中的形状变化材料的3D打印。这些材料在响应速度、机械性能和可逆性方面显示出其优点和缺点。仿生设计，如双层和其他计算辅助设计，极大地加速了针对目标功能的智能材料结构设计。利用时间依赖的动态形状变化能力，4D打印在医疗保健应用中显示出巨大潜力，范围从智能医疗设备和软机器人、可穿戴设备、药物输送到组织修复和再生。

尽管取得了进展，一些挑战仍然制约着4D打印的实际应用。在材料方面，扩展具有增强机械性能和多功能性的可打印聚合物材料将拓宽其应用。打印的智能材料通常显示出与天然组织不匹配的机械性能。设计适用于4D打印的机械相关的智能生物材料是非常需要的。具有单一聚合物网络和网络缺陷的传统智能材料表现出有限的机械性能。为此，通过非常规网络设计（包括双网络、理想网络和高纠缠网络）对聚合物材料进行分子工程可以显著提高（生物）聚合物复合材料的机械性能。同时，多相水凝胶设计，如水相微相分离，可以平衡机械性能和生物功能，这是4D生物打印非常需要的。开发具有仿生性能（如自愈合和降解）的高性能形状变化材料可以增强其多功能性。此外，使用动态化学和生物基原材料以及水乳液墨水形成将增强4D打印的可持续性。传统的智能材料设计主要依赖于经验和试错，这既耗时又费力。同时，多物理场理论和模拟被广泛用于理解刺激触发的形状转变并指导智能材料设计。然而，智能材料的非线性和大变形通常难以通过现有的本构模型捕捉。开发通用、广泛适应、高保真度的预测性多物理场模型不仅具有挑战性，而且计算成本高昂。为此，近年来人工智能（AI）的广泛采用也将在4D打印的智能材料设计中发挥越来越关键的作用。人工智能已被探索用于加速智能材料设计，包括材料组成优化、材料分布优化和逆向结构设计。此外，人工智能允许快速准确地预测形状变化，这对实际应用至关重要。

在打印技术方面，可以开发新的打印技术来提高打印能力，以更好地复制自然系统的复杂性和动态性。这包括扩展多尺度和高分辨率3D打印技术，以及用于4D打印的原位或微创打印。此外，实时监控和反馈允许自适应流量控制，并促进人工智能驱动的自适应打印控制，这可以提高打印质量并确保一致的性能。

总之，4D打印是一个新兴的研究领域，在个性化和精准医疗应用的下一代技术方面具有巨大潜力。智能聚合物设计和3D打印技术的进步在过去十年中取得了巨大进展。尽管该领域存在一些挑战，但智能材料设计和打印技术方面的并行多学科进展旨在更好地复制自然系统中的动态性和复杂性。具有形式-功能集成的工程智能材料可以更好地与人体和生物系统接口，最终推动临床转化以解决许多医学挑战。