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

來源：高分子科學前沿

眼球內陷是指正常大小的眼球相對于眼眶骨緣后移位的現(xiàn)象。商業(yè)用于治療眼球內陷的植入體存在難以準精賦形、填充能力弱、手術創(chuàng)面大、CT顯影不足等缺點。近日，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士團隊與哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院原慧萍教授團隊合作在《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。論文報道了基于一種可CT顯影的形狀記憶復合材料，定制了4D打印眼眶支架用于眼球內陷的微創(chuàng)植入和個性化治療。

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），制備了轉變溫度接近體溫、具有良好CT顯像性的多功能AuNPs/ nHA /PU (AHP) 復合材料（圖1）。受自然界一些力學性能優(yōu)異的結構啟發(fā)，將仿生蜂窩結構引入4D打印眼眶支架的設計（圖2），基于CT重建技術，建立了與兔眼眶內腔隙輪廓相匹配的眼眶支架外輪廓，從而設計出個性化定制4D打印眼眶支架模型（圖3）。


通過直書寫生物打印AHP復材熔體，制造了力學性能足以支撐眶內組織的4D打印眼眶支架。在44 ℃的水中，壓縮的AHP支架可以在8 s內實現(xiàn)形狀回復。壓縮為扁平臨時形狀的AHP支架能便捷地植入眼眶內，經(jīng)44 ℃生理鹽水沖洗，支架在32 s內展開并貼合腔隙，為快速、個性化填充眼球內陷提供了可行性（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月后的隨訪顯示術后眶內組織向支架內生長狀態(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、可視化和個性化治療眼球內陷的迫切需求。

圖 1.（A） 眼部側剖示意圖。（B）4D打印眼眶支架植入治療眼球內陷的示意圖。（C）制備可顯影復合材料示意圖。（D）DSC曲線。（E）制備材料和顯影劑的真實照片、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)關系。（F） 37 ℃時拉伸曲線。（G）在ABAQUS軟件中模擬4個模型在相同拉伸載荷下的應變能。（H）四種模型的最大模擬應力、應變和位移值。

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（紅色標記）。（C）3-Matic軟件重建眶骨三維模型，高亮標記上眶壁輪廓。（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度。（G）AHP復合材料的蠕變曲線。（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水中的形狀回復過程。（B）AHP支架植入實驗兔眶上壁與眼球之間的過程。（C）AHP支架植入兔眼眶內后用生理鹽水 (44°C) 刺激的形狀恢復過程。

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)。

該項研究成果獲得了國家自然科學基金和黑龍江省頭雁創(chuàng)新團隊項目的大力支持。

冷勁松教授團隊長期從事于智能結構力學及其應用研究。在生物領域，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)。在航天領域，研制了基于形狀記憶聚合物復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、鎖緊釋放機構等智能結構 (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.)，可應用于各種衛(wèi)星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設計制備了構型、力學性能可調節(jié)、可重構的拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。冷勁松教授團隊自主設計并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機構，于2021年5月在天問一號上成功展開，為中國探測器在火星上打下“中國標識”，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結構應用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac93d1)。