哈工大冷勁松院士/哈醫(yī)大原慧萍教授團(tuán)隊(duì)合作：​4D打印眼眶支架用于治療眼球內(nèi)陷

來源：高分子科學(xué)前沿

眼球內(nèi)陷是指正常大小的眼球相對(duì)于眼眶骨緣后移位的現(xiàn)象。商業(yè)用于治療眼球內(nèi)陷的植入體存在難以準(zhǔn)精賦形、填充能力弱、手術(shù)創(chuàng)面大、CT顯影不足等缺點(diǎn)。近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)與哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院原慧萍教授團(tuán)隊(duì)合作在《Biomaterials》上發(fā)表了題為《4D printed orbital stent for the treatment of enophthalmic invagination》的研究論文，冷勁松院士和原慧萍教授為共同通訊作者。論文報(bào)道了基于一種可CT顯影的形狀記憶復(fù)合材料，定制了4D打印眼眶支架用于眼球內(nèi)陷的微創(chuàng)植入和個(gè)性化治療。

作者通過在形狀記憶聚氨酯基體中引入金納米顆粒（AuNPs）和納米羥基磷灰石（nHA），制備了轉(zhuǎn)變溫度接近體溫、具有良好CT顯像性的多功能AuNPs/ nHA /PU (AHP) 復(fù)合材料（圖1）。受自然界一些力學(xué)性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，將仿生蜂窩結(jié)構(gòu)引入4D打印眼眶支架的設(shè)計(jì)（圖2），基于CT重建技術(shù)，建立了與兔眼眶內(nèi)腔隙輪廓相匹配的眼眶支架外輪廓，從而設(shè)計(jì)出個(gè)性化定制4D打印眼眶支架模型（圖3）。


通過直書寫生物打印AHP復(fù)材熔體，制造了力學(xué)性能足以支撐眶內(nèi)組織的4D打印眼眶支架。在44 ℃的水中，壓縮的AHP支架可以在8 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)形狀回復(fù)。壓縮為扁平臨時(shí)形狀的AHP支架能便捷地植入眼眶內(nèi)，經(jīng)44 ℃生理鹽水沖洗，支架在32 s內(nèi)展開并貼合腔隙，為快速、個(gè)性化填充眼球內(nèi)陷提供了可行性（圖4）。得益與AHP支架良好的CT顯影性，采集的術(shù)后CT影像清晰顯示出，在植入體形狀、大小和體積相同的情況下，通過形狀展開的AHP支架可以提供比壓縮AHP支架、商用Medpor或Absorbable plate多150%的容積填充量（圖5）。3月后的隨訪顯示術(shù)后眶內(nèi)組織向支架內(nèi)生長狀態(tài)良好。該論文中開發(fā)制備的可顯影4D打印眼眶支架，滿足了微創(chuàng)植入、可視化和個(gè)性化治療眼球內(nèi)陷的迫切需求。

圖 1.（A） 眼部側(cè)剖示意圖。（B）4D打印眼眶支架植入治療眼球內(nèi)陷的示意圖。（C）制備可顯影復(fù)合材料示意圖。（D）DSC曲線。（E）制備材料和顯影劑的真實(shí)照片、CT圖像和灰度值圖譜。

圖 2. （A）克魯茲王蓮蓮葉，正方形單元和正方形模型。（B）蜻蜓翅膀，矩形單元和矩形模型。（C）螳螂蝦蝦尾及截面輪廓，正弦單元和正弦模型。（D）蜂房，蜂窩單元和蜂窩模型。（E）孔隙率P與a、b的函數(shù)關(guān)系。（F） 37 ℃時(shí)拉伸曲線。（G）在ABAQUS軟件中模擬4個(gè)模型在相同拉伸載荷下的應(yīng)變能。（H）四種模型的最大模擬應(yīng)力、應(yīng)變和位移值。

圖 3.（A）用于CT掃描的健康公兔。（B）眶上壁與眼球之間的楔形空腔（紅色標(biāo)記）。（C）3-Matic軟件重建眶骨三維模型，高亮標(biāo)記上眶壁輪廓。（D）AHP支架的外輪廓。（E）AHP支架模型和4D打印AHP支架。（F）AHP支架植入前后眶上壁與眼球之間的壓力強(qiáng)度。（G）AHP復(fù)合材料的蠕變曲線。（H）在ABAQUS軟件中模擬AHP支架植入后24 h的受力情況。

圖 4.（A） AHP支架在44 °C水中的形狀回復(fù)過程。（B）AHP支架植入實(shí)驗(yàn)兔眶上壁與眼球之間的過程。（C）AHP支架植入兔眼眶內(nèi)后用生理鹽水 (44°C) 刺激的形狀恢復(fù)過程。

圖5. （A）未植入，植入并展開后AHP支架、壓縮未展開AHP支架、植入Medpor和植入Absorbable plate后的CT圖像。（B）AHP支架植入并展開后、壓縮未展開AHP支架、Medpor和Abs-plate植入后引起的眶內(nèi)容積增加。（C）植入三月后被壓縮的AHP支架、上眶壁和眼球的位置和狀態(tài)。（D）植入三月后展開的AHP支架、上眶壁和眼球的位置和狀態(tài)。

該項(xiàng)研究成果獲得了國家自然科學(xué)基金和黑龍江省頭雁創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的大力支持。

冷勁松教授團(tuán)隊(duì)長期從事于智能結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用研究。在生物領(lǐng)域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體 (Research, 2022, 9825656; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 12668-12678; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569)。在航天領(lǐng)域，研制了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可應(yīng)用于各種衛(wèi)星平臺(tái)、空間站、探月工程、深空探測(cè)工程等。設(shè)計(jì)制備了構(gòu)型、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。冷勁松教授團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機(jī)構(gòu)，于2021年5月在天問一號(hào)上成功展開，為中國探測(cè)器在火星上打下“中國標(biāo)識(shí)”，使我國成為世界上首個(gè)將基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac93d1)。