哈工大冷劲松院士团队:形状记忆聚合物和4D打印技术在生物医学领域的应用

发布日期:2023-02-06

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随着科学的发展和技术的进步,传统的材料和结构已经不能完全满足人类社会发展的要求,在医疗、制造等高科技产业中体现得尤为明显。以组织支架为例,其结构技术正在从“性能主导”向“功能主导”转变,兼具承载和多功能特点的组织支架越来越受到重视。这种支架表现出明显的多约束、多尺度、多材料特性,使得结构的创新性和复杂性急剧增加。与医学技术中使用的传统材料相比,形状记忆聚合物及其复合材料具有形状可展开、形状可回复和形状自适应等独特的功能特性,在满足新型外科和医疗器械对材料特殊性能的需求方面发挥着重要作用。随着对复杂结构、个性化植入设备、高精度医疗设备的需求不断增加,形状记忆聚合物和4D打印技术有望突破生物医学领域智能材料和结构的技术壁垒,成为未来各学科合作的新纽带。形状记忆聚合物和4D打印技术的发展彻底改变了组织支架的设计方法,制备的组织支架可以随着时间在环境的相应刺激下进行调整,为制造复杂的多层次结构在组织工程的应用方面提供了巨大的潜力。但目前基于形状记忆聚合物和4D打印技术的可植入医疗器件的材料开发、结构设计和评价策略一般都是经验且孤立的,缺乏指导该种器件设计及制备的整体框架。

 

哈尔滨工业大学冷劲松院士课题组近日在《Advanced Healthcare Materials》上发表题为“Research Progress of Shape Memory Polymer and 4D Printing in Biomedical Application”的文章,全文约2.2万字,包括6大章节,14个小节,280余篇参考文献,论文的第一作者哈尔滨工业大学助理教授赵伟,哈尔滨工业大学冷劲松院士和刘彦菊教授为共同通讯作者,博士生岳成斌和刘立武教授为共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金大力支持。

 

 

论文总结归纳了形状记忆聚合物及4D打印技术在生物医学领域的最新研究进展,从驱动方法、骨组织支架、腔道支架以及其他领域四个维度全面且系统地总结了形状记忆聚合物及4D打印技术在生物医学领域的最新成果,并从多角度、多维度、多层次探讨了现有的基于形状记忆聚合物及4D打印技术制备的组织支架在生物医学领域应用过程中的挑战与局限,提出可植入医疗器件向着可微创植入、高功能性、可个性化定制的方向发展的未来设想,并以具备优异性能的材料开发为基础,以力学设计为保障两个关键环节建立完整的科学框架,深入探讨了未来形状记忆聚合物及4D打印技术在生物医学领域的发展趋势,极大地推动了其在生物医疗等重点战略领域的高速发展!如图1所示为形状记忆聚合物及4D打印技术在生物医学领域的应用。

 

 

图1 基于形状记忆聚合物及4D打印技术的生物医学领域应用

 

· 形状记忆聚合物驱动方法方面,论文从分子结构的角度概述了形状记忆聚合物的形状记忆效应的机理,全面地归纳了适用于生物医学领域的驱动方法,高度总结了各驱动方法的实现机制,并对比了其优缺点,为针对不同的生物应用器件的研发及体内展开策略提供了重要的指导意义,同时推动了形状记忆聚合物的驱动方式向着安全性、可靠性、便捷性不断探索与前进。

 

· 骨组织支架应用方面,论文总结和讨论了骨组织支架的发展历史,以及目前骨组织支架的类型和应用情况,随后概述了基于形状记忆聚合物及其4D打印骨组织支架的研究进展,并对比了各类制备技术的优缺点。不仅为下一代具有可微创植入、自适应、可个性化定制的骨组织支架提供了重要的设计策略,而且极大地推动了基于形状记忆聚合物及4D打印技术的骨组织支架向着高可靠性、高效率、高功能性的方向快速发展。图2基于形状记忆聚合物及4D打印技术的骨组织支架。

 

 

图2 基于形状记忆聚合物及4D打印技术的骨组织支架

 

· 腔道支架应用方面,论文总结并归纳了腔道支架的发展历史(图3和图4),全面归纳了目前各类支架的优缺点以及腔道支架目前面临的挑战。随后重点描述了目前基于形状记忆聚合物及4D打印腔道支架的应用情况,并概述了各类支架通过微创手术植入体内之后的展开方法。通过支架各种性能的对比,不仅为下一代腔道支架的设计与研制建立了重要的桥梁,而且为基于形状记忆聚合物及4D打印技术的骨组织支架向着高柔韧性、高空间适用性和易植入等方向的发展提供了重要参考。图5基于形状记忆聚合物及4D打印技术的管腔支架。

 

 

图3 气管支架发展历史

 

 

图4 血管支架发展历史

 

 

图5 基于形状记忆聚合物及4D打印技术的管腔支架

 

· 其他生物医学领域应用方面,论文总结并归纳了形状记忆聚合物及4D打印技术在其他生物医学领域的应用,包括骨折固定装置、药物释放装置、血管栓塞系统、心脏补片以及封堵装置等。形状记忆聚合物及4D打印技术为可植入器件的开发提供了先进的设计理念以及灵活的制备方案,并极大地降低了生物医疗器件的开发成本。形状记忆聚合物及4D打印技术为可植入生物医学器件的发展带来颠覆性变革和机遇。

 

冷劲松院士团队长期从事于智能结构力学及其应用研究。在航天领域,研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (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.),可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域,基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (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)。冷劲松教授团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构,于2021年5月在天问一号上成功展开,使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008)。

 

论文链接:

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

来源:高分子科学前沿

 

摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者,拥有全球领先的超高精度打印系统,其面投影微立体光刻(PμSL)技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域,摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题,摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。

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