《Materials Today Bio》：4D Fabrication of Scaffolds Facilitates the Construction of Cholangiocyte Monolayers from Human and Mouse Liver Derived Organoids
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4D打印技术通过外部刺激触发形状变化，为纺织业提供新机遇。本文系统分析纺织兼容的4D打印技术及刺激响应材料，探讨技术整合、结构设计策略及多领域应用，指出当前材料稳定性、规模化生产等技术瓶颈与未来研究方向。
卢阳|孟家光|陈凯莉|薛涛|王永振|赵彦敏|刘亚明|赵超
西安工程技术大学纺织科学与工程学院，中国西安710048
摘要
4D打印技术通过实现对外部刺激的程序化形状变化，为纺织行业创造了新的机遇。本综述全面探讨了适用于纺织的4D打印技术及其相关的刺激响应材料（SMPs），重点关注当前的发展趋势和实际应用。文章首先介绍了4D打印的基本机制及其在智能纺织品设计中的实现策略，随后讨论了将这些打印技术与纺织基材有效结合的技术要求和集成方法。文中提供了适用于纺织的刺激响应材料的系统分类，包括它们的特性和激活机制。接着深入分析了协调打印技术、功能材料和织物基材的结构设计策略。最后，综述评估了各领域的当前应用情况，指出了存在的挑战，并概述了未来研究的方向，为开发兼具美观性、穿着舒适性和功能性的多功能智能服装提供了宝贵的见解。
引言
3D打印技术（也称为增材制造AM）通过精确控制材料属性、工艺参数和形状来生产具有复杂几何形状的组件[1,2]。与铸造、机械加工或成型等传统制造方法不同，3D打印是通过逐层沉积材料来构建物体的[3]。3D打印技术分为七大类：材料挤出、槽光聚合、材料喷射、粉末床熔融、定向能量沉积、粘合剂喷射和片材层压[[4], [5], [6]]。选择3D打印技术取决于原材料类型、结构复杂性、产品尺寸和所需的最终性能等因素[7,8]。然而，3D打印技术不仅限于制造具有永久属性的物体，还可以制造能够对外部刺激（如温度、光线、湿度、pH值、电场和机械力）作出反应的结构[9,10]。这种创新方法被称为4D打印，它利用3D打印技术创建智能、动态的结构，为产品开发提供了更大的灵活性[11,12]。4D打印的主要进步在于材料可以随时间改变形状、体积、属性和颜色[13]。该技术利用了预先编程以对外部刺激作出反应的“智能材料”，使物体在演变过程中具备新的功能（图1a）[14,15]。为此，进行了一项文献计量调查，分析了“4D打印”领域的年度出版物数量和主要学者[图1b和c]。数据显示，自这一概念提出以来，研究产出呈现出明显的上升趋势。此外，图1d按出版物数量排名了前十个国家，表明研究活动主要集中在技术先进的国家群体中。4D打印在建筑、生物医学工程、软体机器人、智能纺织品和电子设备等领域具有巨大的应用潜力[11,16]。
近年来，由于成本低、可定制性强以及材料选择范围广，3D打印技术变得越来越受欢迎，使得能够制造出满足个性化需求的可定制纺织品和时尚产品[19]。如图2a所示，已有大量研究将3D打印技术应用于纺织品和时尚产品的制造。与传统服装生产相比，这项技术为设计师在形状、结构和创意方面提供了更大的自由度。此外，具有特殊功能的智能纺织品已成为研究重点。它们能够通过改变结构形态来响应外部刺激，从而具备驱动、感知和改变颜色的能力[20,21]。3D打印技术与智能材料的结合为4D打印智能纺织品的发展铺平了道路。4D打印纺织品可以对外部刺激作出反应[22]。这种能力使得颜色、体积和形状的变化成为可能，这是3D打印无法实现的。一些军事研究机构正在探索将4D打印技术应用于纺织品服装以实现伪装，例如改变颜色或弯曲光线[19]。
3D打印技术、数学建模和聚合物的形状记忆行为的结合证明了开发用于纺织和时尚行业的4D打印智能产品的可行性[19]。4D打印物体可以在外部刺激下重新塑造并恢复到原始配置，从而改变其属性[29]。研究人员正在探索4D打印技术在纺织和时尚行业中的各种应用潜力。Ly等人[30]展示了使用聚氨酯和碳纳米管（CNTs）复合材料制造热响应4D物体，用于智能纺织品和可穿戴设备。此外，4D打印的纺织品和时尚产品可以设计成保护用户健康；例如，4D打印的鞋子可以调整形状以提高舒适度。像4D打印这样的创新技术能够制造出动态产品，这些产品可以改变形状、适应环境或响应刺激，包括珠宝、多功能运动鞋和智能纺织品（图2b）[31,32]。尽管目前关于该主题的出版物数量相对较少（图2c），但4D打印技术在纺织领域的年度产出呈现出明显且持续增长的趋势（图2d）。这一定量增长轨迹表明4D打印技术在纺织领域的未来发展具有巨大潜力和广阔空间[20]。
本文的主要目的是探讨增材制造技术与纺织品之间的关系，以及如何通过材料和结构设计的应用来促进纺织品的4D打印。此外，本文旨在扩展AM的应用范围，并为未来4D打印智能纺织品的研究提供有价值的见解。最终，本文旨在探索创造融合时尚、舒适性和智能性的纺织品的途径。文章讨论了4D打印技术的背景，并阐述了如何利用AM技术制造各种形式的4D打印智能纺织品。为了符合纺织应用的具体要求，本文进一步探讨了纺织领域的4D打印。讨论内容包括刺激响应材料与纺织品之间的关系、响应机制如何促进4D打印纺织品的构建，以及相应的结构设计和制造过程。随后总结了4D打印纺织品在各个领域的应用情况。最后，讨论了当前面临的挑战和未来的发展前景。此次讨论旨在为未来4D打印智能纺织品的研究提供参考，并支持这项技术的可持续发展。
适合4D打印技术的概述
3D打印与刺激响应材料的结合催生了4D打印技术的出现[33]。据统计，目前有超过50种不同的3D打印技术[34]。然而，并非所有3D打印技术都适用于智能纺织品和时尚产品，因为打印方法、速度、材料组成、表面质量和机械性能等因素会影响其效果[35]。
纺织用刺激响应材料
4D打印纺织品的基本组成部分包括3D打印技术、外部刺激、刺激响应材料、交互机制和数学建模[117]。其中最关键的因素之一是刺激响应材料，也称为智能材料，它们能够接收、传递或处理刺激[118,119]。目前，形状记忆聚合物（SMPs）、液晶弹性体（LCEs）、刺激响应水凝胶（SRHs）及其复合材料是最常用的材料之一
4D打印纺织品的结构设计与实现
如前所述，4D打印材料在暴露于pH值、温度或光线等外部刺激时会发生形状变化。这些变化可以是1D到1D、1D到2D、1D到3D、2D到2D、2D到3D或3D到3D[14,126]。图11展示了这些形状变化的例子。最新研究表明，响应性变形结构包括线性或非线性膨胀/收缩、折叠、弯曲、螺旋形变化、卷曲、扭转等多种形式
应用
刺激响应材料与3D打印技术的结合使得可以制造出艺术性、实用性、舒适性和智能性的服装（图13a）。实现纺织品4D打印的三种主要方法是：将智能纤维或纱线嵌入织物中、在织物表面打印智能材料，以及通过结构和功能设计直接进行4D打印（图13b）[59]。研究人员提出了多种应用方案
当前面临的挑战
刺激响应材料是4D打印的基础，使3D打印纺织品能够对外部刺激作出反应而改变形状[256]。随着3D打印和智能材料的进步，4D打印在时尚领域的应用日益增多，带来了更高的创造力和更快的生产速度。这些纺织品可以随时间改变颜色，或通过结构设计调节热舒适度和湿度舒适度。然而，4D打印纺织品的发展仍处于研究阶段，面临诸多挑战
作者贡献声明
卢阳：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。
孟家光：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金筹集。
陈凯莉：软件、数据整理。
薛涛：撰写——审稿与编辑。
王永振：撰写——审稿与编辑。
赵彦敏：数据整理。
刘亚明：撰写——审稿与编辑。
赵超：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（52473079、62201441）、陕西省科技厅科研项目（2022KXJ-017）、陕西省科技创新领军人才科研项目（2018033）、陕西省重点研发计划（2025CY-YBXM-045、2023-YBGY-490）、纺织愿景基础研究计划（J202405）以及陕西省教育厅资助的科研项目的支持。
