供稿人:李宏伟 李涤尘 发布日期：2018-11-30
4D打印是打印物能变形的3D打印，在之前的很多报道中4D打印都应用“折纸效应”的原理，例如、一个3D打印的平面网格逐步展开形成一个郁金香花朵造型的三维物体。因此，科研人员设想如果按比例进行增加，这种方法甚至可以为自制造平面家具以及易装配医用植入物的设计开发提供新思路。这种自折叠及变形能力为研究人员开辟新研究领域提供了可能，尤其是在医疗医药领域，可以解决传统植入较大植入物需切口创伤大的问题，而且手术创伤侵害较小，甚至可以通过自折叠和变形直接治疗病患，从而取代以往依靠血液循环进行药物治疗的传统方法。
新泽西州立罗格斯大学新布朗斯维克校区的研究人员Daehoon Han等发明了一种新的4D打印方法，让《爱丽丝梦游仙境》中的场景在现实中成为了可能。应用SLA工艺，罗格斯大学的4D打印方法可以根据需求进行收缩和膨胀。
罗格斯大学研究展示的收缩象棋原材料是水凝胶，虽然含水量达到了73%但是材料依然以三维固体形态呈现。当水凝胶浴在水中之后变形就随之发生，当温度逐渐升高到50摄氏度时，象棋就随之脱水并且收缩。反之，当温度降低到11℃的时候，国际象棋重新恢复到了原样。该研究团队同样展示了如何将这以收缩和变形规则应用到具体的产品上面。例如、爪形器具的弹簧机械手可以收缩兵器关闭，但是整个器具机身并未发生任何变化。
图：4D打印出来的模型部件可以变形而不是整体变成了另外一种形状。
图片来自Scientific Reports
罗格斯大学在这项研究当中使用的3D打印机（也称为PμSL系统）由团队自主研发定做而成。主要部件包含UV光照射每层硅树脂以形成液体结晶的数字遮罩、投射透镜、LED UV灯、直线模组以及控制UV线束宽度的校准设备。在打印的第一阶段、先需要在CAD软件当中生成三维模型并切片生成位图图像，确保每一个数字图像可以转变成数字紫外线光学样式遮罩，之后投射到事先准备好的光固化PNIPAAm树脂上。通过光固化，紫外线光将液态树脂转变为固态层，每次一层成型于直线模组之上。每成型一层、做件台下降一层，直至整体制作成型完成。
图：PμSL打印工艺过程以及3D打印水凝胶的固化和收缩准备工作。
来自罗格斯大学工程学院的研究人员Lee认为“这一智能水凝胶的终极潜力现在还没有完全被释放出来，我们还需要给变形添加另外的维度，这是在这领域里面第一次有人这么做”。团队正致力于在50 μm-7 mm尺寸区间的微尺度水凝胶产品制造研究。寄希望用此来开发新的医疗设备，例如细胞支架，以此来支持组织生长，或者对患者的用药治疗在释放阶段进行精准控制而不是之前的持续施加。 “如果你对形状能进行持续控制，那么你就能对它的功能进行计划控制，这是3D打印‘形状-变换’材料的能力，你可以将这一变形规则应用在任何地方”-团队开发者说。