哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松團(tuán)隊(duì)：形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松先生展示，形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

冷勁松：尊敬各位評(píng)委、各位老師大家上午好！

首先介紹一下我本人和我的團(tuán)隊(duì)，今年剛剛當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士，我們團(tuán)隊(duì)哈工大老師7、8個(gè)人。匯報(bào)一下4D打印技術(shù)，什么是4D打印呢？咱們大賽是3D打印，3D就是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D打印完結(jié)構(gòu)可以變形。

我們有一個(gè)普通的結(jié)構(gòu)，打印之后可以改變結(jié)構(gòu)的形狀，美國科學(xué)家2013年提出來，比如說穿了一個(gè)裙子，你打印的裙子跟我的裙子看著一樣，我加一個(gè)電磁光熱可以變形，裙子格變形不撞衫。

形狀記憶材料

什么是形狀記憶材料，這種材料加熱后自己可以變形。搞生物醫(yī)學(xué)都知道聚合物，比如高分子材料。但是我們的材料跟普通聚合物不一樣，當(dāng)對(duì)其加熱使其達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料可以產(chǎn)生可回復(fù)的形變。

形狀記憶聚合物的軟硬能夠隨溫度變化，低于轉(zhuǎn)變溫度材料是硬的，高于轉(zhuǎn)變溫度材料變軟，材料本身模量在高低溫作用下變化200倍，材料具有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)變形一個(gè)變軟硬。

這個(gè)材料有哪些變形的方法呢？可以通過把它放在熱水里面使其變形，也可以通電，用光照，用磁場和射頻，以及在不同溶液里面使其變形。

我們?cè)趪�際上首次把形狀記憶材料做成打印線。這個(gè)材料跟傳統(tǒng)的3D打印線外觀是一樣的。打印出來的結(jié)構(gòu)表面看一樣，但是一加熱就變形，在磁場中可以變形、通電也可以變形，這個(gè)材料能夠按照你需要的形狀，通過電磁光熱來改變形狀。

舉個(gè)例子，你看這是什么形狀？認(rèn)不出來。在水里面自己張開是一個(gè)金門大橋的形狀。這是我們打印打出來的。當(dāng)然你可以打印一些結(jié)構(gòu)自己重構(gòu)，讓其在水里面展開。


4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

我們主要做心臟封堵器、血管支架、骨組織支架和4D打印外骨骨組織固定。


這里舉例講下骨組織支架植入。骨組織支架植入這個(gè)應(yīng)用市場很大。還有先天心臟病。支架在先天心臟病上的應(yīng)用市場雖然不大，但是其對(duì)人類的社會(huì)意義還是很大的。國內(nèi)很多企業(yè)我也不介紹了。現(xiàn)在植入的金屬支架是依靠器械加工制備的。怎么實(shí)現(xiàn)其在生物體內(nèi)的展開呢？靠金屬彈性變形。除了金屬支架，傳統(tǒng)的可降解支架都是靠外界的力，靠氣囊展開。我們現(xiàn)在做這個(gè)就不一樣了。我們的材料通過自己變形進(jìn)行展開，變形這一過程可以通過對(duì)形狀記憶聚合物施加電磁光熱來調(diào)控。同時(shí)形狀記憶聚合物支架具有可生物降解性以及生物相容性，跟劉總介紹一樣。

有血栓了可以放一個(gè)支架在里面，放進(jìn)去之后加磁場可以撐開支架，我們做的國際上首個(gè)支架，不光能張開，張開之后把磁場去掉了，材料變的很硬可以承載，力學(xué)性能各方面滿足原來要求。這一點(diǎn)我們已經(jīng)有了廣泛的實(shí)驗(yàn)論證。

再來講講氣管支架，氣管塌陷是癟的。放一個(gè)我們打印的支架，在磁場作用下，這個(gè)材料有鐵磁顆粒能自己形成氣管支架。除了磁場，人體里面血液70%是水，如果不需要支架快速展開，其在血液里自己也可以慢慢展開。

骨組織缺損怎么辦呢？可以打印一個(gè)定制化支架，在骨組織缺損里面讓它張開。很重要的是支架張開之后可以控制6到7個(gè)月的時(shí)間使其降解。打印機(jī)可以打印骨組織支架，通過小的微創(chuàng)手術(shù)植入到缺損里面之后，施加磁場可以使支架展開。支架不光能展開，后續(xù)可以降解，也可以定制化。根據(jù)不同人體情況進(jìn)行定制化的支架打印是很重要，因?yàn)椴煌�人的血管厚薄以及骨組織缺損大小都是不一樣。

這是心臟封堵器。先天心臟病瓣膜缺損，怎么辦呢？醫(yī)院用的，進(jìn)去一個(gè)導(dǎo)管把金屬支架支開，金屬封堵器在人體待一輩子，不光受人體各個(gè)方面影響，金屬離子析出，對(duì)于心臟生長有影響。我們國際上有一個(gè)專利，封堵器用形狀記憶聚合物做的，在水里面張開，控制它長好之后，6到8個(gè)月一年時(shí)間再長一點(diǎn)可以降解。后續(xù)可以做藥物釋放，有一些膠囊藥可以釋放出來。




這個(gè)做外骨固定。骨折打石膏，用我們這個(gè)東西放進(jìn)去之后，如果關(guān)節(jié)折了之后，我們加熱變暖可以來回動(dòng)，等你動(dòng)完之后溫度一降就固定住了，你骨折加熱了，這個(gè)東西變彎摳在手上，把溫度撤了，把外力撤了，你把它固定住，到了醫(yī)院拿吹風(fēng)機(jī)吹自己可以開了。

我們現(xiàn)在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做到什么程度呢？細(xì)胞毒性及細(xì)胞相容性已經(jīng)做完了。大鼠組織相關(guān)性已經(jīng)做了。現(xiàn)在正在嘗試將4D打印形狀記憶聚合物用到豬身上。


總結(jié)

4D打印形狀記憶聚合物解決了醫(yī)療植入器件的個(gè)性化定制問題。我們已經(jīng)做出了血管支架、氣管支架、骨組織支架、封堵器、外骨骼固定等等。我們學(xué)校在航天航空方面有著許多研究，未來可以用我們的材料代替衛(wèi)星鉸鏈結(jié)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)帆板展開。

柔性電池在空間中的展開是一個(gè)很重要的問題�，F(xiàn)在是采用什么方法？用繩子和電機(jī)把卷曲的電池板攤開。形狀記憶聚合物可以很好的代替這種機(jī)械結(jié)構(gòu)。我們把柔性電池薄膜用我們形狀記憶聚合物卷上，在地面卷了之后，你需要的時(shí)候?qū)π螤钣洃浘酆衔锛訜崾咕硗步Y(jié)構(gòu)張開。張開之后形狀記憶聚合物馬上變硬了，這樣又回復(fù)了其承載能力。這種結(jié)構(gòu)我們簡稱為形狀記憶聚合物鉸鏈。我們這一方案能解決卷曲、展開、鋼化一系列問題。

形狀記憶聚合物鉸鏈這個(gè)東西在2016年在衛(wèi)星上應(yīng)用載軌兩年了，后續(xù)也將在火星上應(yīng)用，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)主要研究方向中，形狀記憶聚合物在航空航天中的應(yīng)用是一個(gè)重要的課題。到目前為止，我們研發(fā)出了一系列聚合物材料。生物醫(yī)學(xué)材料轉(zhuǎn)變溫度37度，跟人體溫度差不多，航天航空溫度200度，空間環(huán)境溫度本身就高，材料變形溫度要到250度，否則環(huán)境溫度到170我就變形了。

我們免費(fèi)對(duì)國內(nèi)外好多研究院所提供自制的形狀記憶聚合物打印線，但是目前沒有產(chǎn)權(quán)化。

我們做了氣管支架完成這些實(shí)驗(yàn)，目前航天這方面準(zhǔn)備要產(chǎn)業(yè)化，生物醫(yī)學(xué)這方面還沒有，希望今天跟生物醫(yī)學(xué)、藥監(jiān)局、醫(yī)生、投資機(jī)構(gòu)的人來談未來怎么應(yīng)用，巧婦難做無米之炊，人工智能要有一個(gè)物質(zhì)基礎(chǔ)，我說話必須有東西，結(jié)構(gòu)和材料是物質(zhì)基礎(chǔ)，我們特點(diǎn)是材料，打印技術(shù)我們也在做，我們主要是材料和結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)的3D打印相比，4D打印具有獨(dú)特的可控形變優(yōu)勢。我的匯報(bào)到此結(jié)束！


專家點(diǎn)評(píng)

裴國獻(xiàn)：冷教授，我覺得這個(gè)工作非常有價(jià)值，您剛才提的幾個(gè)病例、用的方位我們都有體會(huì)，形狀記憶合金80、90年代骨科臨床做的非常多了，做的最多是長海醫(yī)院張教授，你這個(gè)工作，你談了4D打印，那么與3D打印，與傳統(tǒng)形狀記憶合金有什么不同。

冷勁松：它不是合金是聚合物，能降解是聚合物的不同之處，傳統(tǒng)心臟支架都是金屬，什么是聚合物，塑料杯子就是聚合物，我們做的不是形狀記憶合金，是形狀記憶聚合物，聚合物本身可以降解，跟可降解材料一樣，我們材料除了可降解功能求可以自己控制變形。

我們把聚合物加上纖維做成復(fù)合材料之后，控制磁場控制使其變形。4D和3D的區(qū)別是，3D打印東西是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D是你打的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能變成你需要的形狀。形狀記憶合金金屬也可以變行，但是沒有辦法將其3D打印，并且記憶金屬降解非常難，我們的特點(diǎn)一個(gè)是聚合物可以變形，而且是大變形，記憶合金變形量8%到12%，聚合物600%，聚合物跟金屬不一樣可以降解，金屬怎么控制它？金屬在人體血管里靠超彈性自己彈開。聚合物控制方式很多，我們可以加熱放在熱水里面，可以加磁場，可以光照，可以放在人體血液里面，人體血液70%是水，溫度不變，水自己可以讓它變形，就是這個(gè)材料可以變形。

裴國獻(xiàn)：骨頭那一塊你的思路特別好，采用微創(chuàng)的技術(shù)植入進(jìn)去，里面經(jīng)過體內(nèi)溫度變化可以膨脹，但是骨缺損修復(fù)一定要支撐，膨大之后。

冷勁松：承受力沒有問題的，我們文章已經(jīng)要發(fā)表了，我們也做過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，跟金屬骨組織支架相比是沒有問題的，同時(shí)我們這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置成多孔的結(jié)構(gòu)。

裴國獻(xiàn)：我不是挑毛病，我提一下，撐開以后有力學(xué)強(qiáng)度不行，骨細(xì)胞長進(jìn)去，核材料怎么樣，這個(gè)你們要做。進(jìn)去以后材料支撐自身細(xì)胞的生長這個(gè)你們要關(guān)注。

冷勁松：您說的對(duì)，我們的材料跟細(xì)胞兼容性、生長正在做這個(gè)東西，而且現(xiàn)在我們有一個(gè)好處，這個(gè)上面可以載藥，讓藥釋放出來。

裴國獻(xiàn)：我說什么意思，我們也在做這個(gè)方面的研究，不是你們這個(gè)方面的材料，最后細(xì)胞一定要長進(jìn)去，最后長的一定是自己的骨頭融合非常好，這樣將來強(qiáng)度才能形成自己的骨骼，醫(yī)學(xué)強(qiáng)度性能才能真正實(shí)現(xiàn)。

冷勁松：這個(gè)是可以降解，最后不是在人體。我們研究可以控制降解時(shí)間、降解速度，長好了再降解。

韓倩倩：我覺得在變形創(chuàng)新性還是比較強(qiáng)的，我想問這個(gè)材料主要成分是什么？


冷勁松：我們做很多種材料，像航天環(huán)氧、聚氨酯、聚乳酸我們都做，我們做了很多種不同類型的材料，這些材料多有降解功能，因?yàn)樾螤钣洃浘酆衔锊皇且环N材料是一類材料，像記憶合金是一類的材料。

韓倩倩：具體到某一個(gè)具體產(chǎn)品的話，針對(duì)這一種材料具體是什么，降解過程，降解速率、體內(nèi)和體外降解產(chǎn)物要說清楚。

冷勁松：我們都做了，包括細(xì)胞兼容性、小鼠實(shí)驗(yàn)都做了，包括細(xì)胞生長，您說的降解速率實(shí)驗(yàn)都做了，現(xiàn)在做一點(diǎn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

韓倩倩：因?yàn)閷?duì)于產(chǎn)品來講它的安全性也是至關(guān)重要的。

冷勁松：我們現(xiàn)在已經(jīng)前期毒物性實(shí)驗(yàn)都做完了，我不是搞醫(yī)學(xué)，和別的醫(yī)院合作，現(xiàn)在找一個(gè)小鼠過來，馬上做豬的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闅夤苤Ъ芤�做豬的實(shí)驗(yàn)，后續(xù)因?yàn)楦�哈爾濱醫(yī)院合作，您說的這個(gè)問題非常重要，我們?cè)谇捌谶@些事都已經(jīng)做過實(shí)驗(yàn)了，要不也不敢做后面的實(shí)驗(yàn)，材料前期不解決了，后面不要去做了。

韓倩倩：剛剛您提到這是一類材料，在您的工作當(dāng)中，您覺得最能先走到一個(gè)所謂臨床階段是哪一種？

冷勁松：聚乳酸、聚氨酯、（聚己內(nèi)脂）都差不多，材料毒性沒有問題了，力學(xué)強(qiáng)度各方面還是不太一樣，不同支架地方用的不一樣。這三種都可以了。我們集中在材料，我們可以賣材料，你買過去之后你愛打什么打什么，我們學(xué)生[url=]打[/url][j1] 印過心臟、[url=]打[/url][j2] 印過肺，然后變形。能做的東西很多，生物只是我們剛開始，航天衛(wèi)星上量很大，不像個(gè)人一個(gè)一個(gè)支架來用，比如說航天五院，100顆衛(wèi)星，一下產(chǎn)值幾個(gè)億，因?yàn)楹教靽�際上只有我們能做，我們首次在高軌道衛(wèi)星用了，美國現(xiàn)在也沒有，生物醫(yī)學(xué)我們現(xiàn)在看好，我為什么做封堵器，封堵器解決一些社會(huì)問題，支架效益是高但是也在做，因?yàn)樾『⒂靡粋�(gè)東西在里面很難受。

裴國獻(xiàn)：千萬不要忽視醫(yī)療市場。你這個(gè)工作特別有價(jià)值。
冷勁松：這個(gè)需要投資機(jī)構(gòu)大量投入燒錢才行，我們學(xué)校能往這做已經(jīng)很不容易了，我們學(xué)校航天是全產(chǎn)業(yè)，從材料到力學(xué)結(jié)構(gòu)，中國高校找到我們這樣很少，醫(yī)學(xué)往前做，但是后續(xù)需要有各方面來合作做這個(gè)事。


周賽：我問一個(gè)比較簡單的問題，剛才看你的材料遇熱導(dǎo)電磁場會(huì)變形，如果反過來說遇到冷是不是變回去了。

冷勁松：第一個(gè)問題現(xiàn)在這個(gè)聚合物有兩種，一種就是我們讓它變形之后回不來了，不會(huì)回來了，加到30度變形了，你再30度它也回不來了，這種材料只能單向變，回不來了。

周賽：用到醫(yī)學(xué)想象力空間很大，這一塊往下推的情況下，選擇醫(yī)學(xué)某一個(gè)領(lǐng)域深度挖掘。

冷勁松：我們也在做乳腺支架。乳腺支架放進(jìn)去之后可以撐開。第一能變形，第二能可控變形，溫度降了變硬了，變剛度了可以承受力。

張希波：這個(gè)材料和技術(shù)非常好應(yīng)用到航空航天，你們?cè)瓉砑夹g(shù)研究當(dāng)時(shí)訴求的方向，現(xiàn)在應(yīng)用在新的領(lǐng)域，今天談在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用，在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，你們想先應(yīng)用到氣管支架也好，包括骨組織支架也好，血管支架也好，你們認(rèn)為能夠快速先應(yīng)用到哪一個(gè)領(lǐng)域�，F(xiàn)在目前有沒有跟一些醫(yī)院和教學(xué)醫(yī)院有一些協(xié)同的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。原來你們可能是一體化的研究，契合度很高，現(xiàn)在把新的技術(shù)和材料應(yīng)用到新的領(lǐng)域，訴求痛點(diǎn)都有，有不同的方式方法在解決，你們迎著需求去了，是不是在可行性上，快速進(jìn)入到哪一個(gè)具體領(lǐng)域。

冷勁松：我們覺得外骨固定，相對(duì)比體內(nèi)容易一點(diǎn)，我們從外骨固定的角度快一點(diǎn)的應(yīng)用。體內(nèi)支架也能弄，但是要做很長時(shí)間毒性實(shí)驗(yàn)，人體實(shí)驗(yàn)學(xué)校只能做幾例，后續(xù)有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)來做，否則做不了這個(gè)工作。但是我認(rèn)為這個(gè)東西將來從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域講，這些東西從原理上后續(xù)都可以，因?yàn)樗�是提供一個(gè)新的方向，能讓你原來的東西動(dòng)起來，這個(gè)東西我們?cè)趪�際上，現(xiàn)在國外一些研究院所也在做，國外大的公司雅培也可能在做，但是沒有公開過，所以中國這方面要快速投入的話可能有一些成果。我認(rèn)為外骨容易一點(diǎn)。

冷勁松：我們學(xué)校跟公司不一樣，我們80多個(gè)人忙不過來。你想想能做的都可以做，醫(yī)學(xué)的話需要跟一些企業(yè)、大學(xué)、醫(yī)院來廣泛合作，現(xiàn)在跟哈爾濱醫(yī)院合作，現(xiàn)在在做一些小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

曹爾寧：發(fā)展的方向，我想探討作為院校盡快想到商業(yè)化的模式，這樣才能吸引社會(huì)投資參與進(jìn)來。必須要集中精力發(fā)展出一個(gè)可以商業(yè)化的產(chǎn)品，然后再逐漸推廣。

冷勁松：謝謝您說的非常對(duì)，航天準(zhǔn)備要先落地，我們上過天做過驗(yàn)證了，醫(yī)學(xué)我們?cè)谕�前在做。那么多學(xué)生不能做一個(gè)，做一個(gè)畢不了業(yè)了，一個(gè)學(xué)生只能做一個(gè)支架，別人再做就得換別的材料了，后續(xù)怎么應(yīng)用后面再研究。