4D打印:将时间刻入身体

时间:2017-03-03 16:00:23来源:中国医院院长杂志作者:郭潇雅
4D打印不只是3D打印智能化的延伸,更是对未来医疗科技的崭新构想。

虽然3D打印目前还尚未真正普及,但这并未阻止科学家推动4D打印的发展。2016年,4D打印正式进军我国医疗界,在多个领域获得成功的同时,更是引发了人们对未来打造现实版“变形金刚”的无限遐想。

据了解,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。
第四军医大学唐都医院3D打印研究中心主任曹铁生告诉记者,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形成另一种三维结构。
2016年4月,唐都医院胸腔外科利用4D打印技术,成功把一个4D打印的支架放置在一名患者的气管外侧,完成了一例因气管狭窄导致呼吸困难的手术案例。该患者在术后5天就拔除了全部的引流管,术后1周完全恢复了正常的呼吸。
同年9月,第四军医大学西京医院顾春虎专家团队采用4D打印技术制备的可降解气管外支架,成功救治一名患有复杂先天性心脏病合并严重气管狭窄的婴儿。经陕西省科学技术信息研究所科技查新中心鉴定,4D打印可降解气管外支架成功用于婴儿复杂先天性心脏病合并气管狭窄治疗在国际上尚属首次。
2016年年底,青岛尤尼科技在生物血管制造上首次使用了4D打印技术,可以打印出直径为0.5~6mm,内外层带有包含生长因子、EC、MSC、ECM组件、iMSCs及HUVEC不同比例细胞重编程的血管。这种4D打印血管随着时间推移在形态结构上自我进行智慧调整,形成结缔组织,可以减少血栓形成,防止血管阻塞,保证移植的血管内血液正常流通,成为小口径血管制作史上的重大创新和突破。
据了解,目前西安交通大学、清华大学、上海交通大学、华南理工大学等高校都已开展了4D打印研究,并已取得了不小的成绩。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。
但是,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。正如Skylar Tibbits关于“4D将改变传统医疗行业”的预言,近日,麻省理工学院(MIT)和新加坡科技与设计大学(SUTD)的研究人员正在利用4D打印制造一种微型药物胶囊,该胶囊利用人体温度作为触发器,一旦人们出现发烧的症状,胶囊中的药物就会被释放出来,第一时间缓解病症痛苦。
4D打印,让2017年更加值得期待。
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