研究人员开发出用于生物医学应用可降解触发的4D打印执行器

频道：技术日期：2026-02-14 浏览：9

这项由马德里理工大学、IMDEA材料研究所与德国Meotec公司合作开发的研究，为4D打印领域引入了一种新颖且极具应用潜力的驱动机制——以材料降解本身作为触发和控制形状变化的手段。这项发表于《增材制造》期刊的工作，不仅展示了技术可行性，更在理念上拓展了4D打印的设计空间，尤其为生物医学植入物等需要缓慢、渐进式形变的领域提供了新方案。

4D打印减震器在形状变化过程中的关键帧。图片来源：马德里理工大学/IMDEA材料研究所

核心创新：降解触发机制

传统4D打印依赖于热、光、电、磁或湿度等外部刺激来触发智能材料的形状记忆或响应行为。而本研究另辟蹊径，将聚乙醇乙烯酯（PVA）的水解降解过程本身编程为驱动源。研究团队创造性地将两种常见的熔融沉积成型（FFF）材料结合：

PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯-共-1,4-环己烷二甲醇酯）：作为储能结构材料。它在打印后被预先压缩，存储了弹性势能，并具有形状恢复特性。
PVA（聚乙烯醇）：作为临时机械约束材料。它在干燥状态下具有高刚度（弹性模量约5 GPa），能有效锁住PETG中存储的弹性势能。当浸入水中时，PVA发生水解降解，刚度呈指数级衰减（80分钟内模量下降约36%），从而逐步解除对PETG的约束。这种“降解-释放”机制，实现了缓慢、时间依赖性的渐进式形变，这与许多需要快速响应的刺激驱动系统形成了鲜明对比，更适合于人体内植入物需要与组织生长同步适应的场景。

技术原理与设计可控性

研究通过力学测试和建模，深入揭示了该系统的行为规律，并证明了其设计的可编程性：

降解动力学：PVA的降解遵循指数曲线，与水解过程中的分子量降低一致。研究发现，在实体样品中，降解速率主要取决于材料的表面积与体积比，而非内部填充结构。这意味着工程师可以通过精细设计零件的几何形状来精确调控降解和形变发生的时间线。
双弹簧模型与两阶段驱动：在概念验证的“减震器”模型中，PETG螺旋弹簧（储能）与PVA蛇形弹簧（约束）配对。驱动过程分为两个阶段：初期PVA表面侵蚀导致刚度线性下降，形变平稳；后期水分渗透至内部引发整体侵蚀，刚度呈指数衰减，形变加速。研究人员用双弹簧模型成功描述了这一时间依赖的力学行为。
生物相容性基础：细胞实验表明，PVA能快速溶解且无细胞毒性，PETG在浸水6天后仍能保持超过89%的人间充质基质细胞存活率。这为该系统应用于生物医学领域（如骨牵引器、可降解植入物）奠定了重要的安全基础。

模量降解图。图片来源：马德里理工大学/IMDEA材料研究所

在4D打印发展脉络中的意义与前瞻应用

这项研究代表了4D打印技术从“刺激响应”向“程序化生命周期行为”演进的一个重要分支。4D打印的核心在于通过智能材料与增材制造结合，创造能随时间或环境变化而改变形状、性能或功能的动态结构。当前研究前沿正不断扩展材料范围（形状记忆合金/聚合物、水凝胶、磁控材料等）和刺激源（热、光、化学、磁场等），并探索在医疗、航空航天、软体机器人等领域的应用。

本研究提出的降解触发机制，与以下几个前沿方向高度契合：

生物医学工程：这是最直接的应用场景。研究团队已概念化演示了将其用于骨牵引装置的可能性。通过弹簧的缓慢伸展，可以逐渐分离骨碎片，为新生骨组织生长提供空间。这与兰州大学团队利用4D打印形状记忆聚合物制作可降解、可变形下腔静脉滤器的思路异曲同工，都是追求在体内实现可控的、适应性的治疗功能。此外，在可降解血管支架、药物控释系统等领域，这种渐进式形变机制也具有巨大潜力。
自适应结构与软体机器人：虽然当前原型侧重于缓慢驱动，但其“储能-约束释放”的基本原理可以启发新型软体机器人的设计。例如，用于狭窄空间探索或人体内作业的机器人，可能通过不同部件的程序化降解，实现复杂的多阶段变形或运动。
低成本与可及性：该技术的显著优势在于使用了广泛可得、成本低廉的标准FFF材料（PETG和PVA）和普通3D打印机。这大大降低了4D打印功能原型的门槛，有利于技术的快速迭代和推广，与北京交通大学团队开发桌面级4D打印机以促进技术普及的理念相呼应。