《Designs》：Design Concept for Direct 4D-Printed Thermally Actuated PLA Components for Potential Biomedical Applications
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4D打印技术的发展使得制造能够响应外部刺激而发生形状转变的智能结构成为可能，为未来微创生物医学应用提供了潜力。本研究探索了一种直接4D打印方法来生产热驱动的聚乳酸（PLA）组件，重点关注自扩张血管支架原型。与传统4D打印通常需要单独的打印后编程步骤（如加热、机
4D打印技术的发展使得制造能够响应外部刺激而发生形状转变的智能结构成为可能，为未来微创生物医学应用提供了潜力。本研究探索了一种直接4D打印方法来生产热驱动的聚乳酸（PLA）组件，重点关注自扩张血管支架原型。与传统4D打印通常需要单独的打印后编程步骤（如加热、机械加载、冷却和卸载）不同，直接4D打印通过控制工艺参数的调节，将编程阶段直接嵌入逐层打印过程中，使组件在制造完成后即可立即进行形状转变。本研究采用了一种系统的实验工作流程，将问题解决方法论与行动研究及结构化实验相结合，以识别和优化控制形状转变行为的关键参数。通过熔融丝材制造（FFF）技术，使用多种PLA材料组合制备了双层板结构，并在受控条件下进行热驱动，以表征打印速度、打印温度和填充图案对变形幅度和方向性的影响。基于这些结果，研究人员开发了三个功能演示器，最终实现了一个基于网格的圆柱形原型，在高于80°C的温度下驱动时可实现约5.8%的径向扩张。总体而言，研究结果表明直接4D打印作为热驱动组件制造路线的基本技术可行性，为未来患者特异性、自部署医疗设备奠定了概念验证基础。
**直接4D打印热驱动PLA组件的设计概念及其潜在生物医学应用——论文解读**
**一、研究背景与问题**
4D打印是增材制造的延伸，其核心在于将形状记忆材料（SMM）集成到打印结构中，使物体能够在时间维度上（即第四维度）响应温度、湿度、pH值、磁场、电场或化学试剂等外部刺激而发生形状或功能特性的转变。形状记忆聚合物（SMP）具有诸多优势，例如可恢复应变可高达1100%，远优于形状记忆合金（SMA）通常不超过8%的变形范围。
目前，采用传统4D打印技术制造的形状记忆聚合物组件，通常需要经历一个独立的后处理编程步骤，即加热、机械加载、冷却和卸载，以实现形状记忆效果。这一步骤增加了制造工艺的复杂性，需专用的编程设备，并提高了生产成本。聚乳酸（PLA）作为一种生物基、可生物降解的热塑性材料，具有较低的玻璃化转变温度（T
g），约为60°C（取决于牌号），已在生物医学领域得到广泛应用，如可吸收固定装置、组织工程支架和血管植入物。然而，现有的PLA基生物可吸收血管支架（如Igaki-Tamai和DESolve）虽已实现基于形状记忆的自扩张，但仍通常需要球囊辅助扩张，且制造工艺相对专业化。
本研究旨在探索一种直接4D打印方法，将热机械编程直接嵌入逐层增材制造过程中，从而省略后处理编程步骤。该方法有望实现低成本、分布式制造的患者特异性、 thermally 自部署医疗器械，尤其是在血管支架领域展现出潜力。因此，本研究系统性地研究了打印工艺参数对PLA双层结构形状转变行为的影响，并通过递进式演示器开发，验证直接4D打印技术的可行性。
**二、关键方法学**
本研究采用了一种综合方法论，整合了SPALTEN问题解决框架与行动研究。SPALTEN框架基于系统工程学，通过七个迭代模块（情境分析、问题遏制、备选方案、方案选择、后果分析、决策、回顾与学习），确保研究过程的系统结构化。行动研究则通过计划、执行（打印和驱动）、观察和反思的循环，利用3D打印的快速原型优势推进研究进程。实验以Bambu Lab X1E 3D打印机为制造平台，选用Bambu Lab的PLA Basic Green、PLA Basic White和PLA Galaxy Nebulae作为原材料。双层板试件采用熔融丝材制造（FFF）技术制备，尺寸为20 × 10 mm，总厚度0.6 mm，其中底层采用同心圆填充图案，顶层采用对齐直线填充图案，两者夹角为45°。热驱动实验在水浴中进行，温度范围为65°C至85°C，持续时间约40秒。
**三、主要研究结果**
**3.1 材料表征研究**
初步实验对四种材料组合进行了研究，所有样品在高于80°C的热驱动下均表现出显著的形状转变行为。单材料PLA双层板在同心圆图案侧表现出凹弯曲并伴随扭转；Galaxy–Green组合表现出对称弯曲；而Galaxy–White组合则表现出更明显的扭转，且凹弯曲方向反转至直线填充图案侧。后续温度测试（n = 5）显示，Galaxy–Green在65°C、75°C和85°C下均发生结构形态转变，弯曲程度随温度升高而增大，但伴随不对称弯曲和扭转；Galaxy–White仅在85°C下出现显著弯曲和扭转。进一步的重复性研究（n = 20）证实，Galaxy–Green组合在100%的试件中实现了弯曲和扭转两种主要变形模式，且变形方向完全一致，仅存在强度差异，该差异归因于手动热驱动过程中的微小温度波动。
**3.1.1 打印图案影响**
为验证填充图案几何形状与材料组分对变形方向的决定性作用，研究人员进行了图案交换实验。将Galaxy层打印为对齐直线图案，Green层打印为同心圆图案（n = 5）。结果显示，所有样品仍在同心圆图案一侧呈现凹弯曲，与原始图案分配的行为一致，这证实了打印图案几何结构是决定形状转变方向的主要因素。虽然材料热性能主要调节变形幅度，但打印图案对变形方向的支配作用提供了机制性证据。
**3.1.2 打印速度影响**
实验分别考察了不同层间打印速度组合对驱动行为的影响。将底层（Galaxy）与顶层（Green）分别设置不同打印速度。结果表明，层间打印速度差异越大，弯曲和扭转越显著。其中，250 mm/s + 60 mm/s的速度组合产生了最明显的形状转变。这与文献报道的高打印速度可增加分子链拉伸和储存残余应力的机制一致，表明预应变幅度与驱动变形强度与打印速度差相关。
**3.1.3 打印温度影响**
基于较低打印温度可促进挤出丝材产生更高预应变的假设，研究人员将底层（Galaxy）的打印温度设定为最高推荐值230°C，顶层（Green）设定为最低推荐值190°C，以形成显著的层间温度对比。结果显示，双层板向顶层（直线填充图案）一侧凹弯曲，与无层间温差样品的弯曲方向相反。这表明打印温度差对形状转变行为具有显著影响，并可反转变形凹向，在该特定配置下打印温度超越固有热机械材料性能，成为主导因素。
**3.1.4 热床温度影响**
在35°C热床温度下打印的样品与在制造商推荐的45°C下打印的样品相比，变形行为无显著差异。因此，在实验参数范围内，热床温度对双层板试件的形状转变响应影响极小。
**3.2 演示器开发与演化**
在前述双层板表征研究的基础上，研究人员开发了三个递进式功能演示器，以验证直接4D打印在血管支架结构中的应用概念。演示器制造过程中使用了Bambu Lab PVA水溶性支撑材料以确保悬垂和复杂特征的可靠打印。
**3.2.1 环形演示器**
首个演示器为直径70 mm、宽度5 mm、总高度0.7 mm的环形结构，由十个36°双层扇区组成，相邻扇区的上下半层填充图案分配相反。材料采用PLA Basic White或Green与PLA Galaxy Nebulae组合。热驱动后，双层扇区产生弯曲，形成不规则波浪状变形和环向扩张不均匀。Galaxy–Green组合表现出比Galaxy–White组合更强的形状转变效应。重复性测试（n = 5）确认了Galaxy–Green环形演示器具有稳健且可重复的变形行为。不均匀变形的原因被追溯到打印角度配置：直线填充的打印线相对于同心圆填充区域未能始终保持45°取向，导致重叠角度局部变化，产生非均匀预应变。环形演示器虽然成功验证了双层驱动概念，但暴露出其难以实现血管支架所需受控圆柱扩张的局限性。
**3.2.2 波形弹簧演示器**
为探索受控三维变形，研究人员将三个环形几何体叠加，以形成弹簧波结构。各环层之间采用PVA水溶性支撑材料间隔，环层仅在绿色材料侧重叠的五个离散点位连接。该结构初始外径60 mm、宽度5 mm、总高度2.9 mm。驱动后表现出优异的尺寸稳定性，顶视保持均匀环形形态，平均高度增加526%至18.2 mm，外径收缩近12%至约53 mm。波形弹簧几何体虽然成功展示了通过直接4D打印实现受控三维变形的能力，但其轴向扩张与径向收缩的耦合关系（一个方向扩张伴随另一方向收缩）不适合需要优先径向扩张的血管支架应用。
**3.3 网格演示器**
为实现径向而非轴向扩张，研究人员引入了一种基于线性板的新概念，将多个双层板排列以在驱动后产生波状效应。初始设计为两个堆叠水平，构成方向性扩张。最终演示器为十块线性板通过双层连接元件互连而成的网格结构。由于连接处弯曲效应不足，无法独立形成目标圆柱几何体，研究人员实施了一种组合编程策略，将传统热机械训练与直接4D打印效应相结合。首先通过直接4D打印制造网格，植入预编程的驱动行为；随后在50–60°C（接近PLA的T
g）下对网格进行机械加载并热成形为圆柱形状，包裹于直径35 mm的玻璃圆柱体上并以金属丝固定端部；最终在80°C以上进行热驱动以激活预编程的直接4D打印效应。由于网格端部被固定，驱动产生明确的径向扩张。驱动后线性板长度从80 mm缩短约8%，演示器直径从38.6 mm增加约5.8%，证实了通过组合编程实现圆柱扩张的可行性。然而，研究人员指出，报告的5.8%径向扩张是整体组件的数学平均值，受初始支撑直径38.6 mm的制约——该支撑在驱动过程中尺寸保持稳定——而主动双层网格元件本身则表现出约62%的显著局部扩张。如果采用较小的初始支撑直径，整体组件的相对扩张率将更接近62%的固有能力。基于此原理，研究人员进一步开发了一个由九个水平组成、以PVA支撑的堆叠线性板结构，其高度从打印态的9.5 mm扩张至驱动后的平均33 mm，增幅达248%，长度收缩11%。
**四、讨论与结论**
本研究验证了直接4D打印作为一种潜在制造路线，可用于生产可热驱动、自动部署的生物医学组件。系统参数调查表明，打印图案、打印速度和打印温度是控制形状转变方向和幅度的主要因素。与金属支架或基于SMA的支架相比，基于PLA的直接4D打印具有无成像干扰、生物相容性、生物可降解性、成本效益高以及通过参数调整实现患者特异性定制的优势。然而，临床转化仍面临诸多挑战：FFF工艺的分辨率限制需要缩小医疗器械尺寸；热驱动温度（约80°C）远超生理温度范围，需通过化学改性（如共聚物开发、增塑剂掺入）或替代触发机制（如磁性或光驱动）加以解决；生物相容性、径向力、回缩、疲劳抗性和流动相容性等关键临床性能指标仍需全面评估；监管路径的规划亦是从开发早期便需考虑的重要因素。最终，该研究为直接4D打印技术在生物医学领域的应用提供了基础概念验证，为未来患者特异性、功能优化的自部署医疗器械的开发奠定了技术与机制基础。本文发表于《Designs》期刊。
