4D打印重建術

常曉

當3D打印技術已經不那么神秘的時候，一種名為4D打印的技術又躍入了我們的眼簾。

眾所周知，時下3D打印技術在生物醫療領域應用已十分廣泛，而用3D打印制造出來的產品是無法移動的，假如沒有人為的干預，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"，即傳統3D打印技術中再加入"時間"變量，不僅包含3D的長、寬和高3個維度，更增加了一個時間維度，使打印出的物體可以隨著時間推移在形態結構上自我進行智慧調整，最終自動達到預先設計要求。那么，這種能夠讓打印物"活"過來的4D打印技術，在不久的將來又會給生物醫療領域帶來哪些變革？

得了乳腺癌怎么辦？傳統手術中，很多女性不得不切掉整個乳房。28歲的陜西籍女子張雪（化名）是幸運的，在4D打印乳房重建術的幫助下，她的左乳獲得“重生”。不久前，第四軍醫大學西京醫院宣布，成功實施了世界首例計算機輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術，患者術后恢復良好。該術式的成功實施，不僅極大地拓寬了乳腺癌保乳手術適應癥，也為乳腺癌乳房切除患者帶來新的生活。

世界首例4D打印重建術

去年8月，不幸罹患乳腺癌的張雪在西安第四軍醫大學西京醫院接受治療。當時其腫瘤大小超過6厘米，盡管實施了輔助化療，但仍只能實施左乳全切，這對于年輕愛美的張雪，始終難以接受。

為解除張雪的困擾，幫她留住美麗，西京醫院甲狀腺乳腺血管外科聯合多學科專家進行了多次術前討論，決定為其實施計算機輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術。此前，該科室與西安交通大學的科研團隊多次研討，經過近兩年的攻關，成功研發了4D打印生物可降解材料填充物。

術前首先進行乳房掃描，隨后通過核磁共振成像精確采集腫瘤及乳房影像信息，在計算機上進行三維重建和模擬切除，在此基礎上，根據模擬切除的組織缺損精確設計填充物大小，將缺損部位一比一地打印出來。

手術過程十分順利。首先，依據計算機模擬結果進行左側乳腺癌大范圍切除。之后，在缺損處植入預先設計好的4D打印生物可降解材料填充物，成功進行了乳房重建。術后張雪恢復良好，第3天即出院。

不久前，張雪到西京醫院進行復查。結果顯示，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，填充物中已生長出2/3的自體纖維血管組織。

4D材料可自動降解在人體內“消化”

事實上，看似玄妙的4D打印技術其實并不神秘。4D打印重建術就是3D打印技術與智能材料性能的結合，即智能材料結構在3D打印的基礎上，通過外界環境的刺激，隨著時間實現自身的結構變化。在很多專家看來，4D打印領域的進步將更多地依賴材料本身，而非打印技術。另外，并不是說任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性和環境適應性等的智能材料才行。

據介紹，此次應用的生物填充材料就屬于“4D”范疇，加入了時間維度，即通過改變結構和材料的分子量，填充物可以在設定的時間內進行變形降解，避免在體內留有異物。

西京醫院的專家展示了這一成分仍屬保密的生物材料，其形狀極不規則，按患者腫瘤的大小形狀定制，為白色多孔網格結構，安全輕便，不僅能引導人體自身組織生長修復，根據組織生長需要變形，還能在設定時間內完成自動降解，在體內完全“消化”。該專家表示，傳統的3D技術在醫學上應用廣泛，主要用于固定形狀，如骨頭等的個性化定制。但乳房是軟組織，形狀不規則，因此需要使用4D打印技術來定制乳房填充物，切除多少填充多少，同時給予真空負壓力量，誘導人體組織生長。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年時間內變形、降解，在此時間內，自體的纖維組織會逐漸生長進入植入物內，最終自體的纖維組織將完全替代植入物，保證乳房外形。“從目前來看，那些腫瘤和切除面積較大的患者，更適合4D打印重建術這項新技術。”

4D打印或將引燃生物醫療領域

隨著打印材料的豐富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技術日趨成熟。時下，極大地改變著人們生活的3D打印已經被人們所熟知、應用，然而，利用傳統3D打印技術將具有“形狀記憶”特性的聚合纖維納入到復合材料中，制造出來的產品被賦予另一種外形，但其是無法移動的，假如沒有人為的干預，它們將一直保持原狀。4D打印技術的應運而生就是要讓死物變“活”。正因如此，許多業界人士認為，4D打印技術或將在不久的未來引燃生物醫療領域。

一、器官重建4D打印技術的材料是響應生物相容性材料，這些材料能根據外界刺激（包括溫度、水、磁場等）轉變功能重塑形態，從而制造出更復雜的類似于肝和心臟等原生組織結構。因此，4D打印技術將對功能組織或器官的生物打印做出重大貢獻。

二、組織工程隨著4D生物打印技術的飛速發展，類似體外構建仿生血管研究有望得以實現。例如，自折疊聚合物可以通過封裝不同類型的細胞來制造血管，并可以在水中形成多層管狀結構。另一種方法是通過4D生物打印中的細胞自組織能力來制造血管。由于血管生成是組織工程學中的關鍵，且血管需求量大，因此，體外構建仿生血管研究的實現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生物打印技術也可用來打印硬組織，如骨骼等。

三、藥物輸送4D生物打印技術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胞。

總的來說，4D生物打印技術就是在3D打印的基礎上增加“時間”這個第四維度。它的實現方式主要是兩個，一個是基于材料的變形，另一個是基于組織工程構建的成熟。目前4D生物打印技術在獲取組織功能結構、通過刺激引起的結構變形、控制藥物釋放等領域已經取得進展，但是仍然處于起步階段，有很多的問題需要解決。在此，我們也將拭目以待！