常曉

當(dāng)3D打印技術(shù)已經(jīng)不那么神秘的時(shí)候，一種名為4D打印的技術(shù)又躍入了我們的眼簾。

眾所周知，時(shí)下3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛，而用3D打印制造出來(lái)的產(chǎn)品是無(wú)法移動(dòng)的，假如沒(méi)有人為的干預(yù)，它們將一直保持原狀，做不了任何事情。然而，4D打印卻不一樣。所謂"4D打印技術(shù)"，即傳統(tǒng)3D打印技術(shù)中再加入"時(shí)間"變量，不僅包含3D的長(zhǎng)、寬和高3個(gè)維度，更增加了一個(gè)時(shí)間維度，使打印出的物體可以隨著時(shí)間推移在形態(tài)結(jié)構(gòu)上自我進(jìn)行智慧調(diào)整，最終自動(dòng)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)要求。那么，這種能夠讓打印物"活"過(guò)來(lái)的4D打印技術(shù)，在不久的將來(lái)又會(huì)給生物醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)哪些變革？

得了乳腺癌怎么辦？傳統(tǒng)手術(shù)中，很多女性不得不切掉整個(gè)乳房。28歲的陜西籍女子張雪（化名）是幸運(yùn)的，在4D打印乳房重建術(shù)的幫助下，她的左乳獲得“重生”。不久前，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院宣布，成功實(shí)施了世界首例計(jì)算機(jī)輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術(shù)，患者術(shù)后恢復(fù)良好。該術(shù)式的成功實(shí)施，不僅極大地拓寬了乳腺癌保乳手術(shù)適應(yīng)癥，也為乳腺癌乳房切除患者帶來(lái)新的生活。

世界首例4D打印重建術(shù)

去年8月，不幸罹患乳腺癌的張雪在西安第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院接受治療。當(dāng)時(shí)其腫瘤大小超過(guò)6厘米，盡管實(shí)施了輔助化療，但仍只能實(shí)施左乳全切，這對(duì)于年輕愛(ài)美的張雪，始終難以接受。

為解除張雪的困擾，幫她留住美麗，西京醫(yī)院甲狀腺乳腺血管外科聯(lián)合多學(xué)科專家進(jìn)行了多次術(shù)前討論，決定為其實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術(shù)。此前，該科室與西安交通大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)多次研討，經(jīng)過(guò)近兩年的攻關(guān)，成功研發(fā)了4D打印生物可降解材料填充物。

術(shù)前首先進(jìn)行乳房掃描，隨后通過(guò)核磁共振成像精確采集腫瘤及乳房影像信息，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維重建和模擬切除，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模擬切除的組織缺損精確設(shè)計(jì)填充物大小，將缺損部位一比一地打印出來(lái)。

手術(shù)過(guò)程十分順利。首先，依據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行左側(cè)乳腺癌大范圍切除。之后，在缺損處植入預(yù)先設(shè)計(jì)好的4D打印生物可降解材料填充物，成功進(jìn)行了乳房重建。術(shù)后張雪恢復(fù)良好，第3天即出院。

不久前，張雪到西京醫(yī)院進(jìn)行復(fù)查。結(jié)果顯示，其重建的乳房外形良好，植入的生物可降解材料填充物與自體組織相容性良好，填充物中已生長(zhǎng)出2/3的自體纖維血管組織。

4D材料可自動(dòng)降解在人體內(nèi)“消化”

事實(shí)上，看似玄妙的4D打印技術(shù)其實(shí)并不神秘。4D打印重建術(shù)就是3D打印技術(shù)與智能材料性能的結(jié)合，即智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印的基礎(chǔ)上，通過(guò)外界環(huán)境的刺激，隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。在很多專家看來(lái)，4D打印領(lǐng)域的進(jìn)步將更多地依賴材料本身，而非打印技術(shù)。另外，并不是說(shuō)任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性和環(huán)境適應(yīng)性等的智能材料才行。

據(jù)介紹，此次應(yīng)用的生物填充材料就屬于“4D”范疇，加入了時(shí)間維度，即通過(guò)改變結(jié)構(gòu)和材料的分子量，填充物可以在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行變形降解，避免在體內(nèi)留有異物。

西京醫(yī)院的專家展示了這一成分仍屬保密的生物材料，其形狀極不規(guī)則，按患者腫瘤的大小形狀定制，為白色多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，安全輕便，不僅能引導(dǎo)人體自身組織生長(zhǎng)修復(fù)，根據(jù)組織生長(zhǎng)需要變形，還能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)完成自動(dòng)降解，在體內(nèi)完全“消化”。該專家表示，傳統(tǒng)的3D技術(shù)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛，主要用于固定形狀，如骨頭等的個(gè)性化定制。但乳房是軟組織，形狀不規(guī)則，因此需要使用4D打印技術(shù)來(lái)定制乳房填充物，切除多少填充多少，同時(shí)給予真空負(fù)壓力量，誘導(dǎo)人體組織生長(zhǎng)。此次為張雪植入的生物可降解材料填充物可在1年半至2年時(shí)間內(nèi)變形、降解，在此時(shí)間內(nèi)，自體的纖維組織會(huì)逐漸生長(zhǎng)進(jìn)入植入物內(nèi)，最終自體的纖維組織將完全替代植入物，保證乳房外形。“從目前來(lái)看，那些腫瘤和切除面積較大的患者，更適合4D打印重建術(shù)這項(xiàng)新技術(shù)?！?p>

4D打印或?qū)⒁忌镝t(yī)療領(lǐng)域

隨著打印材料的豐富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技術(shù)日趨成熟。時(shí)下，極大地改變著人們生活的3D打印已經(jīng)被人們所熟知、應(yīng)用，然而，利用傳統(tǒng)3D打印技術(shù)將具有“形狀記憶”特性的聚合纖維納入到復(fù)合材料中，制造出來(lái)的產(chǎn)品被賦予另一種外形，但其是無(wú)法移動(dòng)的，假如沒(méi)有人為的干預(yù)，它們將一直保持原狀。4D打印技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生就是要讓死物變“活”。正因如此，許多業(yè)界人士認(rèn)為，4D打印技術(shù)或?qū)⒃诓痪玫奈磥?lái)引燃生物醫(yī)療領(lǐng)域。

一、器官重建4D打印技術(shù)的材料是響應(yīng)生物相容性材料，這些材料能根據(jù)外界刺激（包括溫度、水、磁場(chǎng)等）轉(zhuǎn)變功能重塑形態(tài)，從而制造出更復(fù)雜的類似于肝和心臟等原生組織結(jié)構(gòu)。因此，4D打印技術(shù)將對(duì)功能組織或器官的生物打印做出重大貢獻(xiàn)。

二、組織工程隨著4D生物打印技術(shù)的飛速發(fā)展，類似體外構(gòu)建仿生血管研究有望得以實(shí)現(xiàn)。例如，自折疊聚合物可以通過(guò)封裝不同類型的細(xì)胞來(lái)制造血管，并可以在水中形成多層管狀結(jié)構(gòu)。另一種方法是通過(guò)4D生物打印中的細(xì)胞自組織能力來(lái)制造血管。由于血管生成是組織工程學(xué)中的關(guān)鍵，且血管需求量大，因此，體外構(gòu)建仿生血管研究的實(shí)現(xiàn)將極大地改善目前面臨的血管困境，造福于廣大患者。另外，4D生物打印技術(shù)也可用來(lái)打印硬組織，如骨骼等。

三、藥物輸送4D生物打印技術(shù)可以精確控制不同的組件的空間分布，以可編程的方式釋放或封裝藥物和細(xì)胞。

總的來(lái)說(shuō)，4D生物打印技術(shù)就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加“時(shí)間”這個(gè)第四維度。它的實(shí)現(xiàn)方式主要是兩個(gè)，一個(gè)是基于材料的變形，另一個(gè)是基于組織工程構(gòu)建的成熟。目前4D生物打印技術(shù)在獲取組織功能結(jié)構(gòu)、通過(guò)刺激引起的結(jié)構(gòu)變形、控制藥物釋放等領(lǐng)域已經(jīng)取得進(jìn)展，但是仍然處于起步階段，有很多的問(wèn)題需要解決。在此，我們也將拭目以待！