4D打印重建术

当3D打印技术已经不那么神秘的时候，一种名为4D打印的技术又跃入了我们的眼帘。

众所周知，时下3D打印技术在生物医疗领域应用已十分广泛，而用3D打印制造出来的产品是无法移动的，假如没有人为的干预，它们将一直保持原状，做不了任何事情。然而，4D打印却不一样。所谓"4D打印技术"，即传统3D打印技术中再加入"时间"变量，不仅包含3D的长、宽和高3个维度，更增加了一个时间维度，使打印出的物体可以随着时间推移在形态结构上自我进行智慧调整，最终自动达到预先设计要求。那么，这种能够让打印物"活"过来的4D打印技术，在不久的将来又会给生物医疗领域带来哪些变革？

得了乳腺癌怎么办？传统手术中，很多女性不得不切掉整个。28岁的陕西籍女子张雪（化名）是幸运的，在4D打印重建术的帮助下，她的左乳获得“重生”。不久前，第四军医大学西京医院宣布，成功实施了世界首例计算机辅助4D打印生物可降解材料填充物重建手术，患者术后恢复良好。该术式的成功实施，不仅极大地拓宽了乳腺癌保乳手术适应症，也为乳腺癌切除患者带来新的生活。

世界首例4D打印重建术

去年8月，不幸罹患乳腺癌的张雪在西安第四医大学西京医院接受治疗。当时其肿瘤大小超过6厘米，尽管实施了辅助化疗，但仍只能实施左乳全切，这对于年轻爱美的张雪，始终难以接受。

为解除张雪的困扰，帮她留住美丽，西京医院甲状腺乳腺血管外科联合多学科专家进行了多次术前讨论，决定为其实施计算机辅助4D打印生物可降解材料填充物重建手术。此前，该科室与西安交通大学的科研团队多次研讨，经过近两年的攻关，成功研发了4D打印生物可降解材料填充物。

术前首先进行扫描，随后通过核磁共振成像精确采集肿瘤及影像信息，在计算机上进行三维重建和模拟切除，在此基础上，根据模拟切除的组织缺损精确设计填充物大小，将缺损部位一比一地打印出来。

手术过程十分顺利。首先，依据计算机模拟结果进行左侧乳腺癌大范围切除。之后，在缺损处植入预先设计好的4D打印生物可降解材料填充物，成功进行了重建。术后张雪恢复良好，第3天即出院。

不久前，张雪到西京医院进行复查。结果显示，其重建的外形良好，植入的生物可降解材料填充物与自体组织相容性良好，填充物中已生长出2/3的自体纤维血管组织。

4D材料可自动降解在人体内“消化”

事实上，看似玄妙的4D打印技术其实并不神秘。4D打印重建术就是3D打印技术与智能材料性能的结合，即智能材料结构在3D打印的基础上，通过外界环境的刺激，随着时间实现自身的结构变化。在很多专家看来，4D打印领域的进步将更多地依赖材料本身，而非打印技术。另外，并不是说任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性和环境适应性等的智能材料才行。

据介绍，此次应用的生物填充材料就属于“4D”范畴，加入了时间维度，即通过改变结构和材料的分子量，填充物可以在设定的时间内进行变形降解，避免在体内留有异物。

西京医院的专家展示了这一成分仍属保密的生物材料，其形状极不规则，按患者肿瘤的大小形状定制，为白色多孔网格结构，安全轻便，不仅能引导人体自身组织生长修复，根据组织生长需要变形，还能在设定时间内完成自动降解，在体内完全“消化”。该专家表示，传统的3D技术在医学上应用广泛，主要用于固定形状，如骨头等的个性化定制。但是软组织，形状不规则，因此需要使用4D打印技术来定制填充物，切除多少填充多少，同时给予真空负压力量，诱导人体组织生长。此次为张雪植入的生物可降解材料填充物可在1年半至2年时间内变形、降解，在此时间内，自体的纤维组织会逐渐生长进入植入物内，最终自体的纤维组织将完全替代植入物，保证外形。“从目前来看，那些肿瘤和切除面积较大的患者，更适合4D打印重建术这项新技术。”

4D打印或将引燃生物医疗领域

随着打印材料的丰富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技术日趋成熟。时下，极大地改变着人们生活的3D打印已经被人们所熟知、应用，然而，利用传统3D打印技术将具有“形状记忆”特性的聚合纤维纳入到复合材料中，制造出来的产品被赋予另一种外形，但其是无法移动的，假如没有人为的干预，它们将一直保持原状。4D打印技术的应运而生就是要让死物变“活”。正因如此，许多业界人士认为，4D打印技术或将在不久的未来引燃生物医疗领域。

一、器官重建4D打印技术的材料是响应生物相容性材料，这些材料能根据外界刺激（包括温度、水、磁场等）转变功能重塑形态，从而制造出更复杂的类似于肝和心脏等原生组织结构。因此，4D打印技术将对功能组织或器官的生物打印做出重大贡献。

二、组织工程随着4D生物打印技术的飞速发展，类似体外构建仿生血管研究有望得以实现。例如，自折叠聚合物可以通过封装不同类型的细胞来制造血管，并可以在水中形成多层管状结构。另一种方法是通过4D生物打印中的细胞自组织能力来制造血管。由于血管生成是组织工程学中的关键，且血管需求量大，因此，体外构建仿生血管研究的实现将极大地改善目前面临的血管困境，造福于广大患者。另外，4D生物打印技术也可用来打印硬组织，如骨骼等。

三、药物输送4D生物打印技术可以精确控制不同的组件的空间分布，以可编程的方式释放或封装药物和细胞。

总的来说，4D生物打印技术就是在3D打印的基础上增加“时间”这个第四维度。它的实现方式主要是两个，一个是基于材料的变形，另一个是基于组织工程构建的成熟。目前4D生物打印技术在获取组织功能结构、通过刺激引起的结构变形、控制药物释放等领域已经取得进展，但是仍然处于起步阶段，有很多的问题需要解决。在此，我们也将拭目以待！