哈工大冷勁松院士團隊：形狀記憶聚合物和4D打印技術在生物醫(yī)學領域的應用

來源：高分子科學前沿

隨著科學的發(fā)展和技術的進步，傳統(tǒng)的材料和結構已經不能完全滿足人類社會發(fā)展的要求，在醫(yī)療、制造等高科技產業(yè)中體現(xiàn)得尤為明顯。以組織支架為例，其結構技術正在從“性能主導”向“功能主導”轉變，兼具承載和多功能特點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，使得結構的創(chuàng)新性和復雜性急劇增加。與醫(yī)學技術中使用的傳統(tǒng)材料相比，形狀記憶聚合物及其復合材料具有形狀可展開、形狀可回復和形狀自適應等獨特的功能特性，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。

隨著對復雜結構、個性化植入設備、高精度醫(yī)療設備的需求不斷增加，形狀記憶聚合物和4D打印技術有望突破生物醫(yī)學領域智能材料和結構的技術壁壘，成為未來各學科合作的新紐帶。形狀記憶聚合物和4D打印技術的發(fā)展徹底改變了組織支架的設計方法，制備的組織支架可以隨著時間在環(huán)境的相應刺激下進行調整，為制造復雜的多層次結構在組織工程的應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打印技術的可植入醫(yī)療器件的材料開發(fā)、結構設計和評價策略一般都是經驗且孤立的，缺乏指導該種器件設計及制備的整體框架。


哈爾濱工業(yè)大學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個小節(jié)，280余篇參考文獻，論文的第一作者哈爾濱工業(yè)大學助理教授趙偉，哈爾濱工業(yè)大學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基金大力支持。

論文總結歸納了形狀記憶聚合物及4D打印技術在生物醫(yī)學領域的最新研究進展，從驅動方法、骨組織支架、腔道支架以及其他領域四個維度全面且系統(tǒng)地總結了形狀記憶聚合物及4D打印技術在生物醫(yī)學領域的最新成果，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打印技術制備的組織支架在生物醫(yī)學領域應用過程中的挑戰(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、可個性化定制的方向發(fā)展的未來設想，并以具備優(yōu)異性能的材料開發(fā)為基礎，以力學設計為保障兩個關鍵環(huán)節(jié)建立完整的科學框架，深入探討了未來形狀記憶聚合物及4D打印技術在生物醫(yī)學領域的發(fā)展趨勢，極大地推動了其在生物醫(yī)療等重點戰(zhàn)略領域的高速發(fā)展！如圖1所示為形狀記憶聚合物及4D打印技術在生物醫(yī)學領域的應用。

圖1 基于形狀記憶聚合物及4D打印技術的生物醫(yī)學領域應用

· 形狀記憶聚合物驅動方法方面，論文從分子結構的角度概述了形狀記憶聚合物的形狀記憶效應的機理，全面地歸納了適用于生物醫(yī)學領域的驅動方法，高度總結了各驅動方法的實現(xiàn)機制，并對比了其優(yōu)缺點，為針對不同的生物應用器件的研發(fā)及體內展開策略提供了重要的指導意義，同時推動了形狀記憶聚合物的驅動方式向著安全性、可靠性、便捷性不斷探索與前進。

· 骨組織支架應用方面，論文總結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展，并對比了各類制備技術的優(yōu)缺點。不僅為下一代具有可微創(chuàng)植入、自適應、可個性化定制的骨組織支架提供了重要的設計策略，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打印技術的骨組織支架。

圖2 基于形狀記憶聚合物及4D打印技術的骨組織支架

· 腔道支架應用方面，論文總結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)缺點以及腔道支架目前面臨的挑戰(zhàn)。隨后重點描述了目前基于形狀記憶聚合物及4D打印腔道支架的應用情況，并概述了各類支架通過微創(chuàng)手術植入體內之后的展開方法。通過支架各種性能的對比，不僅為下一代腔道支架的設計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打印技術的管腔支架

其他生物醫(yī)學領域應用方面，論文總結并歸納了形狀記憶聚合物及4D打印技術在其他生物醫(yī)學領域的應用，包括骨折固定裝置、藥物釋放裝置、血管栓塞系統(tǒng)、心臟補片以及封堵裝置等。形狀記憶聚合物及4D打印技術為可植入器件的開發(fā)提供了先進的設計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打印技術為可植入生物醫(yī)學器件的發(fā)展帶來顛覆性變革和機遇。

冷勁松院士團隊長期從事于智能結構力學及其應用研究。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)。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 (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，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)。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adhm.202201975