《Materials Today Bio》：4D Fabrication of Scaffolds Facilitates the Construction of Cholangiocyte Monolayers from Human and Mouse Liver Derived Organoids
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4D打印技術通過外部刺激觸發形狀變化，為紡織業提供新機遇。本文系統分析紡織兼容的4D打印技術及刺激響應材料，探討技術整合、結構設計策略及多領域應用，指出當前材料穩定性、規模化生產等技術瓶頸與未來研究方向。
盧陽|孟家光|陳凱莉|薛濤|王永振|趙彥敏|劉亞明|趙超
西安工程技術大學紡織科學與工程學院，中國西安710048
摘要
4D打印技術通過實現對外部刺激的程序化形狀變化，為紡織行業創造了新的機遇。本綜述全面探討了適用于紡織的4D打印技術及其相關的刺激響應材料（SMPs），重點關注當前的發展趨勢和實際應用。文章首先介紹了4D打印的基本機制及其在智能紡織品設計中的實現策略，隨后討論了將這些打印技術與紡織基材有效結合的技術要求和集成方法。文中提供了適用于紡織的刺激響應材料的系統分類，包括它們的特性和激活機制。接著深入分析了協調打印技術、功能材料和織物基材的結構設計策略。最后，綜述評估了各領域的當前應用情況，指出了存在的挑戰，并概述了未來研究的方向，為開發兼具美觀性、穿著舒適性和功能性的多功能智能服裝提供了寶貴的見解。
引言
3D打印技術（也稱為增材制造AM）通過精確控制材料屬性、工藝參數和形狀來生產具有復雜幾何形狀的組件[1,2]。與鑄造、機械加工或成型等傳統制造方法不同，3D打印是通過逐層沉積材料來構建物體的[3]。3D打印技術分為七大類：材料擠出、槽光聚合、材料噴射、粉末床熔融、定向能量沉積、粘合劑噴射和片材層壓[[4], [5], [6]]。選擇3D打印技術取決于原材料類型、結構復雜性、產品尺寸和所需的最終性能等因素[7,8]。然而，3D打印技術不僅限于制造具有永久屬性的物體，還可以制造能夠對外部刺激（如溫度、光線、濕度、pH值、電場和機械力）作出反應的結構[9,10]。這種創新方法被稱為4D打印，它利用3D打印技術創建智能、動態的結構，為產品開發提供了更大的靈活性[11,12]。4D打印的主要進步在于材料可以隨時間改變形狀、體積、屬性和顏色[13]。該技術利用了預先編程以對外部刺激作出反應的“智能材料”，使物體在演變過程中具備新的功能（圖1a）[14,15]。為此，進行了一項文獻計量調查，分析了“4D打印”領域的年度出版物數量和主要學者[圖1b和c]。數據顯示，自這一概念提出以來，研究產出呈現出明顯的上升趨勢。此外，圖1d按出版物數量排名了前十個國家，表明研究活動主要集中在技術先進的國家群體中。4D打印在建筑、生物醫學工程、軟體機器人、智能紡織品和電子設備等領域具有巨大的應用潛力[11,16]。
近年來，由于成本低、可定制性強以及材料選擇范圍廣，3D打印技術變得越來越受歡迎，使得能夠制造出滿足個性化需求的可定制紡織品和時尚產品[19]。如圖2a所示，已有大量研究將3D打印技術應用于紡織品和時尚產品的制造。與傳統服裝生產相比，這項技術為設計師在形狀、結構和創意方面提供了更大的自由度。此外，具有特殊功能的智能紡織品已成為研究重點。它們能夠通過改變結構形態來響應外部刺激，從而具備驅動、感知和改變顏色的能力[20,21]。3D打印技術與智能材料的結合為4D打印智能紡織品的發展鋪平了道路。4D打印紡織品可以對外部刺激作出反應[22]。這種能力使得顏色、體積和形狀的變化成為可能，這是3D打印無法實現的。一些軍事研究機構正在探索將4D打印技術應用于紡織品服裝以實現偽裝，例如改變顏色或彎曲光線[19]。
3D打印技術、數學建模和聚合物的形狀記憶行為的結合證明了開發用于紡織和時尚行業的4D打印智能產品的可行性[19]。4D打印物體可以在外部刺激下重新塑造并恢復到原始配置，從而改變其屬性[29]。研究人員正在探索4D打印技術在紡織和時尚行業中的各種應用潛力。Ly等人[30]展示了使用聚氨酯和碳納米管（CNTs）復合材料制造熱響應4D物體，用于智能紡織品和可穿戴設備。此外，4D打印的紡織品和時尚產品可以設計成保護用戶健康；例如，4D打印的鞋子可以調整形狀以提高舒適度。像4D打印這樣的創新技術能夠制造出動態產品，這些產品可以改變形狀、適應環境或響應刺激，包括珠寶、多功能運動鞋和智能紡織品（圖2b）[31,32]。盡管目前關于該主題的出版物數量相對較少（圖2c），但4D打印技術在紡織領域的年度產出呈現出明顯且持續增長的趨勢（圖2d）。這一定量增長軌跡表明4D打印技術在紡織領域的未來發展具有巨大潛力和廣闊空間[20]。
本文的主要目的是探討增材制造技術與紡織品之間的關系，以及如何通過材料和結構設計的應用來促進紡織品的4D打印。此外，本文旨在擴展AM的應用范圍，并為未來4D打印智能紡織品的研究提供有價值的見解。最終，本文旨在探索創造融合時尚、舒適性和智能性的紡織品的途徑。文章討論了4D打印技術的背景，并闡述了如何利用AM技術制造各種形式的4D打印智能紡織品。為了符合紡織應用的具體要求，本文進一步探討了紡織領域的4D打印。討論內容包括刺激響應材料與紡織品之間的關系、響應機制如何促進4D打印紡織品的構建，以及相應的結構設計和制造過程。隨后總結了4D打印紡織品在各個領域的應用情況。最后，討論了當前面臨的挑戰和未來的發展前景。此次討論旨在為未來4D打印智能紡織品的研究提供參考，并支持這項技術的可持續發展。
適合4D打印技術的概述
3D打印與刺激響應材料的結合催生了4D打印技術的出現[33]。據統計，目前有超過50種不同的3D打印技術[34]。然而，并非所有3D打印技術都適用于智能紡織品和時尚產品，因為打印方法、速度、材料組成、表面質量和機械性能等因素會影響其效果[35]。
紡織用刺激響應材料
4D打印紡織品的基本組成部分包括3D打印技術、外部刺激、刺激響應材料、交互機制和數學建模[117]。其中最關鍵的因素之一是刺激響應材料，也稱為智能材料，它們能夠接收、傳遞或處理刺激[118,119]。目前，形狀記憶聚合物（SMPs）、液晶彈性體（LCEs）、刺激響應水凝膠（SRHs）及其復合材料是最常用的材料之一
4D打印紡織品的結構設計與實現
如前所述，4D打印材料在暴露于pH值、溫度或光線等外部刺激時會發生形狀變化。這些變化可以是1D到1D、1D到2D、1D到3D、2D到2D、2D到3D或3D到3D[14,126]。圖11展示了這些形狀變化的例子。最新研究表明，響應性變形結構包括線性或非線性膨脹/收縮、折疊、彎曲、螺旋形變化、卷曲、扭轉等多種形式
應用
刺激響應材料與3D打印技術的結合使得可以制造出藝術性、實用性、舒適性和智能性的服裝（圖13a）。實現紡織品4D打印的三種主要方法是：將智能纖維或紗線嵌入織物中、在織物表面打印智能材料，以及通過結構和功能設計直接進行4D打印（圖13b）[59]。研究人員提出了多種應用方案
當前面臨的挑戰
刺激響應材料是4D打印的基礎，使3D打印紡織品能夠對外部刺激作出反應而改變形狀[256]。隨著3D打印和智能材料的進步，4D打印在時尚領域的應用日益增多，帶來了更高的創造力和更快的生產速度。這些紡織品可以隨時間改變顏色，或通過結構設計調節熱舒適度和濕度舒適度。然而，4D打印紡織品的發展仍處于研究階段，面臨諸多挑戰
作者貢獻聲明
盧陽：撰寫——初稿、可視化、驗證、軟件、方法論、調查、形式分析、數據整理、概念化。
孟家光：撰寫——審稿與編輯、資源獲取、項目管理、資金籌集。
陳凱莉：軟件、數據整理。
薛濤：撰寫——審稿與編輯。
王永振：撰寫——審稿與編輯。
趙彥敏：數據整理。
劉亞明：撰寫——審稿與編輯。
趙超：撰寫——審稿與編輯、監督、方法論。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
本工作得到了中國國家自然科學基金（52473079、62201441）、陜西省科技廳科研項目（2022KXJ-017）、陜西省科技創新領軍人才科研項目（2018033）、陜西省重點研發計劃（2025CY-YBXM-045、2023-YBGY-490）、紡織愿景基礎研究計劃（J202405）以及陜西省教育廳資助的科研項目的支持。
