激勵(lì)響應(yīng)型智能水凝膠可以根據(jù)環(huán)境刺激（例如溫度、pH值、電磁場、放射線、壓強(qiáng)等）發(fā)生可控的物理或者化學(xué)性質(zhì)變化，這種特性決定了它的巨大的市場潛力。幾十年來，科學(xué)家們努力研發(fā)新的智能水凝膠以及探索可控變形條件，并試驗(yàn)不同成型方式。近日，Rutgers大學(xué)的工程師發(fā)明了一種智能水凝膠，并可應(yīng)用于4D打印，制造出的實(shí)體可以按需收縮和膨脹。此項(xiàng)研究有利于制造人類活性組織和器官、軟體機(jī)器人、微流控裝置和可控藥物釋放，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。
通常情況下，4D打印類似于“折紙效應(yīng)”，將3D打印的實(shí)體進(jìn)一步折疊成具有特定三維結(jié)構(gòu)的物體。深一步講，這種方法甚至可以制造具有自我折疊和組裝能力裝置或支架，這給醫(yī)學(xué)研究人提供了一個(gè)全新的領(lǐng)域。醫(yī)生可以通過小切口植入較小尺寸的植入物，在可控的條件下，植入物變形至所需的較大尺寸，這樣可以很大程度上減少了手術(shù)損傷。另外，采用4D打印藥物可以很方便地治療某些疾病，而不依賴于體外血液循環(huán)技術(shù)，這一定程度上降低了醫(yī)療成本，并且提高了生活質(zhì)量。
    Rutgers研究中制備的是可以收縮的國際象棋國王模型，它由溫敏水凝膠構(gòu)成，這種材料含水量達(dá)到73%，但是依然可以保持固體形態(tài)。凝膠的轉(zhuǎn)變過程在溫度可控的水浴槽中進(jìn)行。將溫度逐漸升高到50℃，模型會(huì)脫水收縮，而當(dāng)溫度下降到11℃時(shí)，模型又恢復(fù)到原來的形狀和大小。另外，模型可以部分收縮/膨脹過程，而不限于整體變形，例如，模型頂端尖部可以收縮并貼近在一起，但是下面主體部分依然維持不變。
    本研究中使用的3D微尺度打印機(jī)（稱為PμSL系統(tǒng)）由Rutgers團(tuán)隊(duì)研制，包含液晶硅（LCoS）數(shù)字掩模（通過UV光進(jìn)行不同輪廓曝光）、投影鏡頭、紫外LED燈、控制紫外光束寬度的準(zhǔn)直裝置。首先，利用CAD軟件生成數(shù)字3D模型，并將其切片成位圖圖像。其次，將每張數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字掩膜，并利用紫外光照射，投影到PNIPAAm樹脂上，通過光固化作用，將液態(tài)樹脂固化。之后，一層打印完畢后，工作臺(tái)在Z方向下降一層，進(jìn)行下一層的打印，直至整個(gè)模型完成。
    目前為止，這種智能水凝膠的全部應(yīng)用潛力還沒有被完全發(fā)掘，它有望促進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)一步革新。該團(tuán)隊(duì)正在利用這種水凝膠進(jìn)行微尺度研究，以期制造50μm-70微米大小的物體。人們希望用它來研發(fā)新的生物醫(yī)學(xué)裝置，比如可以促進(jìn)組織生長的細(xì)胞支架，可以精確控制釋放時(shí)間的藥物等。從完全控制形狀，到編程控制功能，這將是3D打印智能變形材料的力量。
    他們的研究《Micro 3D Printing of a Temperature-Responsive Hydrogel Using Projection Micro-Stereolithography》發(fā)表在知名雜志Scientific Reports上，并提名2018年3D打印行業(yè)技術(shù)獎(jiǎng)。

3D打印的PNIPAAm微結(jié)構(gòu)可以根據(jù)溫度變化而發(fā)生形變。

采用PμSL系統(tǒng)3D打印溫度敏感水凝膠過程示意圖