【《4D打印技术的研究现状文献综述》1800字】

第第页4D打印技术的研究现状文献综述1.14D打印的概念4D打印是近五年来兴起的一个全新概念，它起源于3D打印并引入了第四维度时间，图1.1为3D打印与4D打印的区别图示。对于4D打印技术，近年来各方研究兴趣不断高涨，有其着潜在的应用前景。这一概念由美国麻省理工学院[5]的一个研究团队首次提出并命名，其发展依赖于智能材料、3D打印机以及计算机辅助建模技术三个方面的协同进步。4D打印以3D打印技术作为基础手段，旨在制造可变形状、属性与功能的动态结构[6]。这种改变以施加刺激为前提条件，在时间维度上具有可预测性。而实现改变的方法大致可归纳为两类：第一类是采用刺激响应材料进行3D打印。利用此种材料制备的零件可以保持临时形状，并且可以在某种特定刺激（如电、热、磁等）下恢复其原始形状，在这其中最常用的就是形状记忆聚合物（SMP），它可以以显著的高应变恢复能力、低密度、较好的成型能力以及多种激活方式等优势，在类型众多的刺激响应材料中脱颖而出[7]；另一种方法则是通过分析多材料结构在物理性能如膨胀率、热膨胀系数等方面的差异，充分利用打印层之间的应力不匹配，进而实现时间维度上的可控形变[8]。图1.13D打印与4D打印的区别图示[9]1.24D打印的应用尽虽说4D打印在现实世界中发展的时间并不算长，并且还处在技术形成的初级阶段，但因其在生物医学、航空航天、软电子器件等方面显示出巨大的应用及发展潜力，所以吸引着各领域研究者的注意并引起了广泛的关注。在生物医学方面，由于传统人造医疗器件往往维持静态结构，难以实现复杂几何结构以及可预判的机械行为变化，即在时间尺度上适应复杂的生命系统内部环境，所以4D打印因其制备动态结构的能力在医疗方面具有极大的应用可能性。Zarek等人[10]通过4D打印技术制备了一种热敏气管支架，该支架可以变换成临时形状以便于植入人体，并随着体温的增长恢复为原来的形状,如图1.2(a,i-iii)所示，采用紫外光固化成型，该支架以甲基丙烯酸酯化的聚己内酯为材料，可以实现个性化气管支架定制。Hendrikson等人[11]证明了4D打印支架在骨骼与肌肉等身体部位组织再生方面的应用，在这些部位针对于肢体活动的多变性对支架的动态性与适应性提出了要求。Mirani等人[12]制造了一种给药支架，可用于检测并治疗伤口感染。它能够检测到细菌感染引起的pH变化并将抗生素药物释放到伤口，如图1.2(c)所示。Kang等人[13]设计了一种集成式组织器官打印机(ITOP)，可用于制造复杂形状的人体尺度的组织结构，目前他们已经利用该机器实现了人耳软骨的打印。在软电子器件方面的应用主要集中于传感。Zarek等人[14]通过3D喷墨技术在打印热敏SMP的同时加入导电银纳米颗粒层，制备了基于物理形变的智能温度传感器，如图1.2(b)所示。Muth[15]等人采用嵌入式三维打印技术(e-3DP)制造高拉伸弹性器件，基本方法是将导电油墨打印到未固化的弹性储存层中，形成一个电阻式传感元件，从而得到一个柔性应变传感器。该传感器的电阻随着时间的变化而变化，以响应手的不同动作。图1.24D打印技术的应用(a,i-iii)用于呼吸道疾病治疗的热敏器官支架，形态变化以及打印头[10](b,i-iii)4D打印温度传感器[14](c,i-iii)先进给药支架的制备及在给药和伤口监测中的应用[12]参考文献国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.机械工程学科发展战略报告（2011-2020）.北京:科学出版社,2010.工业和信息化部联合国家发展和改革委员会、财政部等11部门《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》.工信部联装,2017.杜善义，智能材料系统与结构[M].科学出版社，2001：61-64吕海宝，冷劲松，杜善义，形状记忆聚合物力学行为及其物理机制[J].固体力学学报，2017（01）：1-12.S.Tibbits,Theemergenceof“4Dprinting”,TEDConference,2013MomeniF,LiuX,NiJ.Areviewof4Dprinting[J].Materials&design,2017,122:42-79.NamS,PeiE.Ataxonomyofshape-changingbehaviorfor4Dprintedpartsusingshape-memorypolymers[J].ProgressinAdditiveManufacturing,2019,4:167–184.RavivDetal.Activeprintedmaterialsforcomplexself-evolvingdeformations[J].ScientificReports,2015,4:7422.StephenKirwaMelly,LiwuLiu,YanjuLiuandJinsongLeng.On4Dprintingasarevolutionaryfabricationtechniqueforsmartstructures[J].SmartMaterialsandStructure,2020,29:083001.ZarekM,MansourN,ShapiraS,CohnD.4Dprintingofshapememory-basedpersonalizedendoluminalmedicaldevices[J].MacromolecularRapidCommunication,2017,38:1600628.HendriksonWJetal,Towards4Dprintedscaffoldsfortissueengineering:exploiting3Dshapememorypolymerstodelivertime-controlledstimulusonculturedcells[J].Biofabrication,2017,9:031001.MiraniBetal,Anadvancedmultifunctionalhydrogel-baseddressingforwoundmonitoringanddrugdelivery[J].AdvancedHealthcareMaterial,2017,6:1700718.KangH-Wetal,A3Dbioprintingsystemtoproducehuman-scaletissueconstructswithstructuralintegrity[J].Nat.Biotechnol.2016,34:312–319.ZarekMetal,3Dprintingofshapememorypolymersforflexibleelectronicdevices[J].AdvancedMaterials,2016,28:4449–4454.MuthJTetal,Embedded3Dprintingofstrainsensorswithinhighlystretchableelastomers[J].AdvancedMaterials,2014,26:6307–6312.MengH,LiG.Areviewofstimuli-responsiveshapememorypolymercomposites[J].Polymer,2013,54(9):2199-2221.李郑发，王正道.热致形状记忆聚合物的热力学性能[J].高分子材料科学与工程,2012(01):71-74王国峰，李文晓，房光强.热致形状记忆聚合物的形状记忆机理与性能研究进展[J].材料导报，2012(09):81-85.周卿，卢洋.热致形状记忆聚合物研究进展[J].橡塑资源利用,2010(4):20-24.LendleinA,KelchS.Shape-memorypolymers[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2002,41(12):2034-2057.YangY,ChenY,WeiY,etal.3Dprintingofshapememorypolymerforfunctionalpartfabrication[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2016,84(9-12):2079-2095.YuR,YangX,ZhangY,etal.Three-dimensionalprintingofshapememorycompositeswithepoxy-acrylatehybridphotopolymer[J].ACSappliedmaterials&interfaces,2017,9(2):1820-1829.SchmidtAM.Electromagneticactivationofshapememorypolymernetworkscontainingmagneticnanoparticles[J].MacromolecularRapidCommunications,2006,27(14):1168-1172.LengJ,LvH,LiuY,etal.Electroactivateshape-memorypolymerfilledwithnanocarbonparticlesandshortcarbonfibers[J].Applied