西班牙研發4D打印技術 有望打印某些人體組織

隨著3D打印技術的成熟，讓世上許多不可能的事物變得可能。如今西班牙的一所大學在3D打印基礎上，開發一種應用於生物醫學的智能4D打印技術，給打印人造器官和其它人造生物醫學產品增添許多可能性。

去年，西班牙的馬德里卡洛斯三世大學（Charles III University of Madrid）開發出一款應用於生物醫學的4D打印機（DIW）的硬件和軟件。目前該項的最新成果已經發表在今年2月的《先進材料技術》（Advanced Materials Technologies）科學期刊中。

該研究團隊在開發的4D打印設備裏，加入物理部份（硬件）和控制設備的電腦程序（軟件）來實施精準打印和控制打印成品。

新研發的4D打印機除了基本的3D打印功能外，還能額外對材料進行編程響應，使打印的材料可以在不同磁場作用下發生形狀變化，或者改變其電性能。這為設計軟機械人（電子零件少且柔軟的機械人）或智能感應器和將信號傳輸到不同網絡系統的基板，以及其它應用設計打開了大門。

近期關於多功能材料的研究在不同的應用領域開闢了新的途徑，特別是在軟機械人、生物工程和傳感或執行器領域增添許多可行性。

這款新研發的4D打印機使用直接墨水書寫（DIW）方式打印，而打印墨水則含有直徑為5µm的磁性顆粒和聚二甲基矽氧烷（PDMS）。PDMS是作為軟電子產品、軟機械人或人造活性組織器官的理想候選材料。

因此，科學家們在開發4D打印機的過程，只需控制墨水中磁性顆粒大小和流出的速度，並讓打印機噴嘴獲得足夠的墨水。同時確保打印的材料在硬化後能保持特定的形狀和硬度，方能做出理想的3D產品。

該項目的研究負責人、連續介質力學和結構理論系教師丹尼爾·加西亞·岡薩雷斯（Daniel García González）對馬德里卡洛斯三世大學新聞社表示，「這項技術不僅讓我們能夠控制打印三維結構形狀，還能讓我們用外部磁場去改變它們的屬性或幾何形狀，或者在它們變形時，擁有改變其電學性質的能力。」

4D打印技術研究方向是將具有機械性能的材料，進行多功能結構開發，最終做出擁有模仿大腦或皮膚等生物組織細胞。此外，這些組織結構可以通過外部刺激（例如，磁場或電流）驅動時改變其形狀或特性，原因是打印材料中有磁性顆粒。

實際上就是該材料中分布了許多小磁鐵，能透過引導進行改變型態。使用該材料做出的產品，在使用過程中出現斷裂時，只需將這些斷裂的部份聚集一起，它們就能再次融合恢復到原本的結構。

這種自主修復材料的研究人員，曾在最近一期期刊《複合材料第B部份：工程》上發表了另一篇文章，介紹了一種新的能夠實現自主修復，且無需外部干預的概念材料。

目前，研究人員已經能夠打印三種功能性材料：暴露於外部磁場時會改變其形狀和特性的材料、有自主修復能力的材料、以及會根據電氣特性（電導率）而改變形狀的材料。

研究團隊利用第一種材料，開發了可以將壓力與信號傳遞到擁有細胞系統的智能板上，從而影響細胞增殖或遷移等生物過程。此外，這些材料還有高度的塑型性，可藉由磁場控制軟機械人。這種材料擁有自我修復、導電特性和隨變形而變化的特性，為感應器開闢廣闊的可能性。

岡薩雷斯表示，「我們可以考慮將身體與感應器連接，通過電導率的變化收集關於我們的運動信息。」他還解釋，材料的自我修復能力使感應器具有發送信號的特性，例如人體的關節受傷需要修補，可以在關節上添加這種材料。

接著他說，「當材料出現裂痕時，則會對患者發出警告信號，這時只需要患者放鬆關節，該材料就會實現自我修復和癒合。透過這種方式，可以對患者受傷處，進行術後的健康風險評估和觀察身體復原狀況。」@

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