什么是4D打印？唐都医院3D打印研究中心主任曹铁生告诉《中国医院院长》，4D打印是指利用智能材料或可降解材料作为打印介质的增材制造，打印出构件的三维空间结构变化会在时间轴上展开。简单地说，是在设计3D打印的时候，将构件随时间变化这一新的维度加载到了构件中，打出来的构件虽然仍是立体结构（3D），却包含着在时间维度上的变化功能（3D+D=4D）。

与3D打印相比，4D打印出来的三维实体结构不再是静止的、无生命的，而是智能的，可以随外界环境而发生相应变化。借助4D打印技术制造出的智能结构，可以发生由一维或二维结构向三维结构的变化，或者由一种三维结构变化形成另一种三维结构。因此，4D打印不仅是3D打印智能化的延伸，更是对未来科技的构想。

4D打印的概念是在2013年美国TED大会上，由麻省理工学院计算机系科学家Skylar Tibbits提出的。该课题组开发了一种遇水可以发生膨胀形变的亲水智能材料，利用3D打印技术将硬质的有机聚合物与亲水智能材料同时打印，二者结合构成的智能结构在遇水之后发生膨胀，带动硬质有机聚合物发生弯曲变形，达到了新的稳态形状。

国内开展4D打印研究起步较早的单位有西安交通大学、清华大学、上海交通大学、华南理工大学等高校，并已取得了不小的成绩。例如，西安交通大学卢秉恒院士带领课题组，利用熔融沉积成型技术，制造了离子聚合物——金属复合材料（IPMC）智能结构，在加载电压下可以随着时间实现形状结构的变化，填补了以往只能制备片状IPMC的空白。他们将该项技术应用于微创手术器械多自由度操作臂的制造研究中，将传统的机械关节改为通过电场对智能材料性能的控制，成为一种刚柔相济的操作臂柔性控制方法。

据曹铁生介绍，唐都医院应用3D打印技术最早开始于2013年，当时他带领研究团队在解决非标准实验部件研制问题时，自行研制了唐都医院最早的2台3D打印机（目前仍在工作）。随着与西安交通大学和西北工业大学的不断合作，医院逐步升级了3D打印机的各项性能，目前已拥有5台具有自主知识产权的3D打印机。在唐都医院院长张永生的大力支持下，曹铁生的3D科研团队去年成功申报3项重大科研课题，并先后成功完成了3D打印钛合金胸骨、肋骨、漏斗胸矫形钢板以及血管支架的植入手术，其中不少手术在国际上属于首创。正是基于3D打印技术的经验积累，2015年底，唐都医院组织了一批青年才俊，开始攻克4D打印技术的医学应用难题。

然而，4D打印概念比较新，相应的技术还有待进一步成熟完善，主要存在智能材料种类少、打印机规模太小等问题，国外也仅在环境自适应机构、结构健康监测、柔性机械、自执行系统等领域进行了初步应用，大部分医疗领域研究还停留在实验室阶段。经过一段时间的科研攻关，唐都医院的科研团队一期制作了6个聚己内酯气管外支架，但在各种性能测试中均未达标。

为了探索将4D打印技术应用于医疗，唐都医院与西安交通大学机械工程学院建立了长期的合作关系。唐都医院定期选派骨干医生去西安交通大学参观学习，并邀请西安交通大学的科研团队来医院交流讨论，实现医学与工科的最大化交融。经过5个月的研究试验，唐都医院的科研团队成功制作了最佳的气管外支架。就在此时，文章开头提到的这名患者来到了唐都医院就诊。

据唐都医院胸腔外科主任李小飞介绍，该女性患者吴某今年46岁，罹患气管内膜结核2年，规律抗结核治疗后遗留气管软化症。患者反复就诊于广州、西安等多家大医院，但病情逐渐加重，危及生命。到唐都医院就诊时已经出现极重度呼吸困难，在家中多次晕厥。

医院为其组织了多名相关专家会诊，最终得出三种治疗方案，一是在介入手术或者纤维支气管镜下植入气管内支架，以此撑开软化的气管，但是可能会发生排痰不畅、机械损伤、肉芽增生、支架移位等多种并发症；二是通过外科手术切除软化段气管，但是术前检查显示，患者全段气管长约11.5cm，软化段气管长达6cm，最窄处直径仅3mm，切除长度达到了气管切除的极限，单纯切除狭窄段的手术风险极大，稍有不慎就有可能在术中导致患者窒息死亡；三是通过植入外支架将软化的气管悬吊起来，但是此类手术目前仅美国密西根大学团队在2013年完成过，并且常规的3D打印只能满足气管外支架的外形、韧度、强度、弹性等性能要求，无法满足生物兼容性和可降解性等特殊要求，只有通过4D打印才能解决该技术难题。

面对以上三种治疗方案，患者和她的丈夫毅然选择了第三种，并坚决要求医院使用4D打印这种新技术来进行手术。

李小飞告诉记者，为了确保手术的顺利，唐都医院在用4D打印技术做好气管外支架后，先在3D打印的患者气管模型上预演了手术过程，反复思考术中可能出现的意外情况和应对措施，最终制定了一套严密的手术方案。在手术中，首先使用微桥线分别在气管横截面的1、3、5、7、9、11钟点位悬吊软化的气管，纵向每间隔1cm悬吊气管一圈。然后使用纤维支气管镜监视气管管腔，对气管共缝合了36针，力求每一针均不穿透气管黏膜层。最后在气管外支架外表面包裹一层光滑的人工胸膜，完成了整个手术。

该患者在术后5天就拔除了全部的引流管，术后1周已经完全恢复了正常的呼吸。纤维支气管镜和气管三维重建检查显示，术后患者的狭窄段气管直径达到了1cm以上，手术效果非常理想。同时，患者主观症状改善非常明显。术前患者呼吸困难、不能平卧、行动受限，术后患者呼吸通畅，自己能爬上三层楼。目前尚未观察到患者对支架有任何的不适，但长期的治疗效果和不良反应还需进一步随访。

“与常规的气管切除手术相比，基于4D打印的手术操作起来更加简单、快捷；此外，我们通过调控支架的降解周期，使支架在两三年内逐渐被人体吸收，免除了患者二次手术取支架的痛苦。”李小飞说道。

这是个科技进步日新月异的时代。3D打印技术从构想到成熟用了20年，4D打印技术从构想至今不过三年时间，已然结出硕果。唐都医院下一步将会以临床需求为导向，开展新型智能材料研发与改性研究、新型建模软件和多喷头4D打印机的研发等工作，为4D打印在我国未来医学领域中的广泛应用，做出积极的贡献。