哈工大冷勁松院士團(tuán)隊(duì)：形狀記憶聚合物和4D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：高分子科學(xué)前沿

隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足人類社會發(fā)展的要求，在醫(yī)療、制造等高科技產(chǎn)業(yè)中體現(xiàn)得尤為明顯。以組織支架為例，其結(jié)構(gòu)技術(shù)正在從“性能主導(dǎo)”向“功能主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變，兼具承載和多功能特點(diǎn)的組織支架越來越受到重視。這種支架表現(xiàn)出明顯的多約束、多尺度、多材料特性，使得結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性和復(fù)雜性急劇增加。與醫(yī)學(xué)技術(shù)中使用的傳統(tǒng)材料相比，形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料具有形狀可展開、形狀可回復(fù)和形狀自適應(yīng)等獨(dú)特的功能特性，在滿足新型外科和醫(yī)療器械對材料特殊性能的需求方面發(fā)揮著重要作用。

隨著對復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化植入設(shè)備、高精度醫(yī)療設(shè)備的需求不斷增加，形狀記憶聚合物和4D打印技術(shù)有望突破生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域智能材料和結(jié)構(gòu)的技術(shù)壁壘，成為未來各學(xué)科合作的新紐帶。形狀記憶聚合物和4D打印技術(shù)的發(fā)展徹底改變了組織支架的設(shè)計(jì)方法，制備的組織支架可以隨著時(shí)間在環(huán)境的相應(yīng)刺激下進(jìn)行調(diào)整，為制造復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)在組織工程的應(yīng)用方面提供了巨大的潛力。但目前基于形狀記憶聚合物和4D打印技術(shù)的可植入醫(yī)療器件的材料開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評價(jià)策略一般都是經(jīng)驗(yàn)且孤立的，缺乏指導(dǎo)該種器件設(shè)計(jì)及制備的整體框架。


哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士課題組近日在《Advanced Healthcare Materials》上發(fā)表題為“Research Progress of Shape Memory Polymer and 4D Printing in Biomedical Application”的文章，全文約2.2萬字，包括6大章節(jié)，14個(gè)小節(jié)，280余篇參考文獻(xiàn)，論文的第一作者哈爾濱工業(yè)大學(xué)助理教授趙偉，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士和劉彥菊教授為共同通訊作者，博士生岳成斌和劉立武教授為共同作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金大力支持。

論文總結(jié)歸納了形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，從驅(qū)動方法、骨組織支架、腔道支架以及其他領(lǐng)域四個(gè)維度全面且系統(tǒng)地總結(jié)了形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新成果，并從多角度、多維度、多層次探討了現(xiàn)有的基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)制備的組織支架在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用過程中的挑戰(zhàn)與局限，提出可植入醫(yī)療器件向著可微創(chuàng)植入、高功能性、可個(gè)性化定制的方向發(fā)展的未來設(shè)想，并以具備優(yōu)異性能的材料開發(fā)為基礎(chǔ)，以力學(xué)設(shè)計(jì)為保障兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立完整的科學(xué)框架，深入探討了未來形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，極大地推動了其在生物醫(yī)療等重點(diǎn)戰(zhàn)略領(lǐng)域的高速發(fā)展！如圖1所示為形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

· 形狀記憶聚合物驅(qū)動方法方面，論文從分子結(jié)構(gòu)的角度概述了形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)的機(jī)理，全面地歸納了適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的驅(qū)動方法，高度總結(jié)了各驅(qū)動方法的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，并對比了其優(yōu)缺點(diǎn)，為針對不同的生物應(yīng)用器件的研發(fā)及體內(nèi)展開策略提供了重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)推動了形狀記憶聚合物的驅(qū)動方式向著安全性、可靠性、便捷性不斷探索與前進(jìn)。

· 骨組織支架應(yīng)用方面，論文總結(jié)和討論了骨組織支架的發(fā)展歷史，以及目前骨組織支架的類型和應(yīng)用情況，隨后概述了基于形狀記憶聚合物及其4D打印骨組織支架的研究進(jìn)展，并對比了各類制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。不僅為下一代具有可微創(chuàng)植入、自適應(yīng)、可個(gè)性化定制的骨組織支架提供了重要的設(shè)計(jì)策略，而且極大地推動了基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的骨組織支架向著高可靠性、高效率、高功能性的方向快速發(fā)展。圖2基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的骨組織支架。

圖2 基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的骨組織支架

· 腔道支架應(yīng)用方面，論文總結(jié)并歸納了腔道支架的發(fā)展歷史（圖3和圖4），全面歸納了目前各類支架的優(yōu)缺點(diǎn)以及腔道支架目前面臨的挑戰(zhàn)。隨后重點(diǎn)描述了目前基于形狀記憶聚合物及4D打印腔道支架的應(yīng)用情況，并概述了各類支架通過微創(chuàng)手術(shù)植入體內(nèi)之后的展開方法。通過支架各種性能的對比，不僅為下一代腔道支架的設(shè)計(jì)與研制建立了重要的橋梁，而且為基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的骨組織支架向著高柔韌性、高空間適用性和易植入等方向的發(fā)展提供了重要參考。圖5基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的管腔支架。

圖3 氣管支架發(fā)展歷史

圖4 血管支架發(fā)展歷史

圖5 基于形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)的管腔支架

其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用方面，論文總結(jié)并歸納了形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)在其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括骨折固定裝置、藥物釋放裝置、血管栓塞系統(tǒng)、心臟補(bǔ)片以及封堵裝置等。形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)為可植入器件的開發(fā)提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念以及靈活的制備方案，并極大地降低了生物醫(yī)療器件的開發(fā)成本。形狀記憶聚合物及4D打印技術(shù)為可植入生物醫(yī)學(xué)器件的發(fā)展帶來顛覆性變革和機(jī)遇。

冷勁松院士團(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、空間站、探月工程、深空探測工程等。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)。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 (Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technol. 2019, 184,107866; Compos. Sci. Technol. 2021, 203, 108563; Compos. Sci. Technol. 2022, 209, 109671; Adv. Healthc. Mater. 2022, 22019975; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569; Adv. Healthc. Mater. 2022, 22019975)。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月在天問一號上成功展開，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)用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008)。


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https://doi.org/10.1002/adhm.202201975