Research综述 | 4D打印磁响应材料及其应用

综述背景

4D 打印在 3D 打印的基础上引入“时间维度”，使打印结构在磁场、光、热等外部刺激下实现形状、性能或功能的可控动态变化。在众多刺激响应机制中，磁驱动凭借非接触操控、深层组织穿透性、响应速度快（毫秒级）等独特优势，在生物医学、智能机器人等领域展现出巨大应用潜力，成为 4D 打印领域的研究热点。然而，该领域目前仍面临诸多瓶颈：材料缺乏重编程能力，打印精度受限于现有增材制造设备，复杂结构制备能力不足，可打印材料种类单一等。随着纳米复合材料技术与 3D 打印工艺的进步，这些缺陷正逐步被克服，推动磁响应 4D 打印技术向多领域跨界应用拓展。

综述内容

(1) 4D 打印技术体系

重点分析了四类主流打印技术的适用性，包括直接墨水书写（DIW）、光固化（SLA/DLP）、选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）。DIW 凭借材料适应性广、支持多材料打印的优势，适合实验室纳米复合材料制备；SLA/DLP 打印速度快、精度高，但仅适用于光敏树脂，难以处理含不透明填料的复合材料；SLS 通过激光烧结粉末材料，在航空航天、生物医学领域应用广泛；FDM 操作简便、成本低，常用于热塑性聚合物打印，需通过添加剂优化提升材料性能。

(2) 磁响应材料机制与分类

磁响应材料的核心是在静态、交变或梯度磁场刺激下实现稳定响应，其显著特征包括大角度弯曲能力、超快响应速度、高机电转换效率及非接触远程操控性。综述详细介绍了四类重点材料：磁形状记忆合金（MSMA）具有高能量密度和精准可控性，Ni-Mn-Ga 合金是研究热点，通过复合或多孔化改性解决脆性问题；磁形状记忆聚合物及其复合材料由 SMP 基质与 Ni、Fe、Fe₃O₄等磁性填料组成，兼具高可回收应变和易加工性；磁形状记忆水凝胶通过永久交联网络与可逆分子开关实现形状记忆，集成磁性颗粒后可拓展至环境修复、生物医学等领域；磁活性软材料（MASM）由磁性颗粒与柔性聚合物复合而成，通过空间编码的磁化排列实现可编程变形。

(3) 磁响应材料4D打印的跨领域应用

在生物医学组织工程中，磁响应4D打印通过非接触磁场调控实现精准变形，广泛应用于气管、骨修复及肿瘤治疗等智能支架。机器人领域方面，仿生软体机器人表现突出：蛇形机器人具备多模式运动与高耐久性，人工纤毛可实现高粘度液体混合；医疗微机器人中，螺旋结构实现靶向递送，针状机器人则通过锚定机制完成肿瘤定位与缓释给药。在智能结构与器件方向，柔性传感器实现了多物理量检测，电磁架构兼具毫秒级变形与高灵敏度感知，单材料打印工艺推进了磁-电双功能器件的高效制造，超拉伸材料更拓展了软体夹具与可重构开关的应用潜力，同时在声学调控与机械超材料等领域也实现了突破。

未来展望

尽管磁性响应4D打印技术已取得显著进展，但仍面临材料磁应变有限、复杂结构打印精度不足、多场耦合理论不完善等挑战。未来研究应致力于开发具有更高磁应变和生物相容性的新型材料，并优化其打印工艺性；打印技术需向多材料协同与微纳尺度制造迈进，并结合计算模型以提升打印精度与效率；在应用层面，应深化其在智能制造、精准医疗等跨学科领域的融合，通过构建“材料-工艺-应用”协同设计框架与“磁-电-热”多场耦合响应系统，最终推动该技术实现从毫米级到微米级的变形精度跨越，为未来智能系统带来革命性变化。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0847