哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松團(tuán)隊(duì)：形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松先生展示,，形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用,。

冷勁松：尊敬各位評委、各位老師大家上午好,！

首先介紹一下我本人和我的團(tuán)隊(duì),，今年剛剛當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士,，我們團(tuán)隊(duì)哈工大老師7,、8個(gè)人。匯報(bào)一下4D打印技術(shù),，什么是4D打印呢,？咱們大賽是3D打印，3D就是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu),，4D打印完結(jié)構(gòu)可以變形,。

我們有一個(gè)普通的結(jié)構(gòu)，打印之后可以改變結(jié)構(gòu)的形狀,，美國科學(xué)家2013年提出來,，比如說穿了一個(gè)裙子，你打印的裙子跟我的裙子看著一樣,，我加一個(gè)電磁光熱可以變形,，裙子格變形不撞衫。

形狀記憶材料

什么是形狀記憶材料,，這種材料加熱后自己可以變形,。搞生物醫(yī)學(xué)都知道聚合物，比如高分子材料,。但是我們的材料跟普通聚合物不一樣,，當(dāng)對其加熱使其達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料可以產(chǎn)生可回復(fù)的形變。

形狀記憶聚合物的軟硬能夠隨溫度變化,，低于轉(zhuǎn)變溫度材料是硬的,，高于轉(zhuǎn)變溫度材料變軟，材料本身模量在高低溫作用下變化200倍,，材料具有兩個(gè)特點(diǎn),，一個(gè)變形一個(gè)變軟硬。

這個(gè)材料有哪些變形的方法呢,？可以通過把它放在熱水里面使其變形,，也可以通電，用光照,，用磁場和射頻,，以及在不同溶液里面使其變形。

我們在國際上首次把形狀記憶材料做成打印線,。這個(gè)材料跟傳統(tǒng)的3D打印線外觀是一樣的,。打印出來的結(jié)構(gòu)表面看一樣，但是一加熱就變形,，在磁場中可以變形,、通電也可以變形，這個(gè)材料能夠按照你需要的形狀,，通過電磁光熱來改變形狀,。

舉個(gè)例子，你看這是什么形狀,？認(rèn)不出來,。在水里面自己張開是一個(gè)金門大橋的形狀。這是我們打印打出來的,。當(dāng)然你可以打印一些結(jié)構(gòu)自己重構(gòu),，讓其在水里面展開。


4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

我們主要做心臟封堵器,、血管支架,、骨組織支架和4D打印外骨骨組織固定。


這里舉例講下骨組織支架植入,。骨組織支架植入這個(gè)應(yīng)用市場很大,。還有先天心臟病。支架在先天心臟病上的應(yīng)用市場雖然不大,，但是其對人類的社會意義還是很大的,。國內(nèi)很多企業(yè)我也不介紹了。現(xiàn)在植入的金屬支架是依靠器械加工制備的,。怎么實(shí)現(xiàn)其在生物體內(nèi)的展開呢,？靠金屬彈性變形,。除了金屬支架，傳統(tǒng)的可降解支架都是靠外界的力,，靠氣囊展開,。我們現(xiàn)在做這個(gè)就不一樣了。我們的材料通過自己變形進(jìn)行展開,，變形這一過程可以通過對形狀記憶聚合物施加電磁光熱來調(diào)控,。同時(shí)形狀記憶聚合物支架具有可生物降解性以及生物相容性，跟劉總介紹一樣,。

有血栓了可以放一個(gè)支架在里面，放進(jìn)去之后加磁場可以撐開支架,，我們做的國際上首個(gè)支架,，不光能張開，張開之后把磁場去掉了,，材料變的很硬可以承載,，力學(xué)性能各方面滿足原來要求。這一點(diǎn)我們已經(jīng)有了廣泛的實(shí)驗(yàn)論證,。

再來講講氣管支架,，氣管塌陷是癟的。放一個(gè)我們打印的支架,，在磁場作用下,，這個(gè)材料有鐵磁顆粒能自己形成氣管支架。除了磁場,，人體里面血液70%是水,，如果不需要支架快速展開，其在血液里自己也可以慢慢展開,。

骨組織缺損怎么辦呢,？可以打印一個(gè)定制化支架，在骨組織缺損里面讓它張開,。很重要的是支架張開之后可以控制6到7個(gè)月的時(shí)間使其降解,。打印機(jī)可以打印骨組織支架，通過小的微創(chuàng)手術(shù)植入到缺損里面之后,，施加磁場可以使支架展開,。支架不光能展開，后續(xù)可以降解,，也可以定制化,。根據(jù)不同人體情況進(jìn)行定制化的支架打印是很重要，因?yàn)椴煌�人的血管厚薄以及骨組織缺損大小都是不一樣,。

這是心臟封堵器,。先天心臟病瓣膜缺損,，怎么辦呢？醫(yī)院用的,，進(jìn)去一個(gè)導(dǎo)管把金屬支架支開,，金屬封堵器在人體待一輩子，不光受人體各個(gè)方面影響,，金屬離子析出,，對于心臟生長有影響。我們國際上有一個(gè)專利,，封堵器用形狀記憶聚合物做的,，在水里面張開，控制它長好之后,，6到8個(gè)月一年時(shí)間再長一點(diǎn)可以降解,。后續(xù)可以做藥物釋放，有一些膠囊藥可以釋放出來,。




這個(gè)做外骨固定,。骨折打石膏，用我們這個(gè)東西放進(jìn)去之后,，如果關(guān)節(jié)折了之后,，我們加熱變暖可以來回動(dòng)，等你動(dòng)完之后溫度一降就固定住了,，你骨折加熱了,，這個(gè)東西變彎摳在手上，把溫度撤了,，把外力撤了,，你把它固定住，到了醫(yī)院拿吹風(fēng)機(jī)吹自己可以開了,。

我們現(xiàn)在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做到什么程度呢,？細(xì)胞毒性及細(xì)胞相容性已經(jīng)做完了。大鼠組織相關(guān)性已經(jīng)做了�,，F(xiàn)在正在嘗試將4D打印形狀記憶聚合物用到豬身上,。


總結(jié)

4D打印形狀記憶聚合物解決了醫(yī)療植入器件的個(gè)性化定制問題。我們已經(jīng)做出了血管支架,、氣管支架,、骨組織支架、封堵器,、外骨骼固定等等,。我們學(xué)校在航天航空方面有著許多研究，未來可以用我們的材料代替衛(wèi)星鉸鏈結(jié)構(gòu)直接實(shí)現(xiàn)帆板展開,。

柔性電池在空間中的展開是一個(gè)很重要的問題�,，F(xiàn)在是采用什么方法,？用繩子和電機(jī)把卷曲的電池板攤開。形狀記憶聚合物可以很好的代替這種機(jī)械結(jié)構(gòu),。我們把柔性電池薄膜用我們形狀記憶聚合物卷上,，在地面卷了之后，你需要的時(shí)候?qū)π螤钣洃浘酆衔锛訜崾咕硗步Y(jié)構(gòu)張開,。張開之后形狀記憶聚合物馬上變硬了,，這樣又回復(fù)了其承載能力。這種結(jié)構(gòu)我們簡稱為形狀記憶聚合物鉸鏈,。我們這一方案能解決卷曲,、展開、鋼化一系列問題,。

形狀記憶聚合物鉸鏈這個(gè)東西在2016年在衛(wèi)星上應(yīng)用載軌兩年了,，后續(xù)也將在火星上應(yīng)用，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)主要研究方向中,，形狀記憶聚合物在航空航天中的應(yīng)用是一個(gè)重要的課題。到目前為止,，我們研發(fā)出了一系列聚合物材料,。生物醫(yī)學(xué)材料轉(zhuǎn)變溫度37度，跟人體溫度差不多,，航天航空溫度200度,，空間環(huán)境溫度本身就高，材料變形溫度要到250度,，否則環(huán)境溫度到170我就變形了,。

我們免費(fèi)對國內(nèi)外好多研究院所提供自制的形狀記憶聚合物打印線，但是目前沒有產(chǎn)權(quán)化,。

我們做了氣管支架完成這些實(shí)驗(yàn),，目前航天這方面準(zhǔn)備要產(chǎn)業(yè)化，生物醫(yī)學(xué)這方面還沒有,，希望今天跟生物醫(yī)學(xué),、藥監(jiān)局、醫(yī)生,、投資機(jī)構(gòu)的人來談未來怎么應(yīng)用,，巧婦難做無米之炊，人工智能要有一個(gè)物質(zhì)基礎(chǔ),，我說話必須有東西,，結(jié)構(gòu)和材料是物質(zhì)基礎(chǔ)，我們特點(diǎn)是材料,，打印技術(shù)我們也在做,，我們主要是材料和結(jié)構(gòu),。

與傳統(tǒng)的3D打印相比，4D打印具有獨(dú)特的可控形變優(yōu)勢,。我的匯報(bào)到此結(jié)束,！


專家點(diǎn)評

裴國獻(xiàn)：冷教授，我覺得這個(gè)工作非常有價(jià)值,，您剛才提的幾個(gè)病例,、用的方位我們都有體會，形狀記憶合金80,、90年代骨科臨床做的非常多了,，做的最多是長海醫(yī)院張教授，你這個(gè)工作,，你談了4D打印,，那么與3D打印，與傳統(tǒng)形狀記憶合金有什么不同,。

冷勁松：它不是合金是聚合物,，能降解是聚合物的不同之處，傳統(tǒng)心臟支架都是金屬,，什么是聚合物,，塑料杯子就是聚合物，我們做的不是形狀記憶合金,，是形狀記憶聚合物,，聚合物本身可以降解，跟可降解材料一樣,，我們材料除了可降解功能求可以自己控制變形,。

我們把聚合物加上纖維做成復(fù)合材料之后，控制磁場控制使其變形,。4D和3D的區(qū)別是,，3D打印東西是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D是你打的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能變成你需要的形狀,。形狀記憶合金金屬也可以變行,，但是沒有辦法將其3D打印，并且記憶金屬降解非常難,，我們的特點(diǎn)一個(gè)是聚合物可以變形,，而且是大變形，記憶合金變形量8%到12%,，聚合物600%,，聚合物跟金屬不一樣可以降解，金屬怎么控制它,？金屬在人體血管里靠超彈性自己彈開,。聚合物控制方式很多,，我們可以加熱放在熱水里面，可以加磁場,，可以光照,，可以放在人體血液里面，人體血液70%是水,，溫度不變,，水自己可以讓它變形，就是這個(gè)材料可以變形,。

裴國獻(xiàn)：骨頭那一塊你的思路特別好,，采用微創(chuàng)的技術(shù)植入進(jìn)去，里面經(jīng)過體內(nèi)溫度變化可以膨脹,，但是骨缺損修復(fù)一定要支撐,，膨大之后。

冷勁松：承受力沒有問題的,，我們文章已經(jīng)要發(fā)表了,，我們也做過力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，跟金屬骨組織支架相比是沒有問題的,，同時(shí)我們這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置成多孔的結(jié)構(gòu),。

裴國獻(xiàn)：我不是挑毛病，我提一下,，撐開以后有力學(xué)強(qiáng)度不行，骨細(xì)胞長進(jìn)去,，核材料怎么樣,，這個(gè)你們要做。進(jìn)去以后材料支撐自身細(xì)胞的生長這個(gè)你們要關(guān)注,。

冷勁松：您說的對,，我們的材料跟細(xì)胞兼容性、生長正在做這個(gè)東西,，而且現(xiàn)在我們有一個(gè)好處,，這個(gè)上面可以載藥，讓藥釋放出來,。

裴國獻(xiàn)：我說什么意思,，我們也在做這個(gè)方面的研究，不是你們這個(gè)方面的材料,，最后細(xì)胞一定要長進(jìn)去,，最后長的一定是自己的骨頭融合非常好，這樣將來強(qiáng)度才能形成自己的骨骼,，醫(yī)學(xué)強(qiáng)度性能才能真正實(shí)現(xiàn),。

冷勁松：這個(gè)是可以降解,，最后不是在人體。我們研究可以控制降解時(shí)間,、降解速度,，長好了再降解。

韓倩倩：我覺得在變形創(chuàng)新性還是比較強(qiáng)的,，我想問這個(gè)材料主要成分是什么,？


冷勁松：我們做很多種材料，像航天環(huán)氧,、聚氨酯,、聚乳酸我們都做，我們做了很多種不同類型的材料,，這些材料多有降解功能,，因?yàn)樾螤钣洃浘酆衔锊皇且环N材料是一類材料，像記憶合金是一類的材料,。

韓倩倩：具體到某一個(gè)具體產(chǎn)品的話,，針對這一種材料具體是什么，降解過程,，降解速率,、體內(nèi)和體外降解產(chǎn)物要說清楚。

冷勁松：我們都做了,，包括細(xì)胞兼容性,、小鼠實(shí)驗(yàn)都做了，包括細(xì)胞生長,，您說的降解速率實(shí)驗(yàn)都做了,，現(xiàn)在做一點(diǎn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

韓倩倩：因?yàn)閷τ诋a(chǎn)品來講它的安全性也是至關(guān)重要的,。

冷勁松：我們現(xiàn)在已經(jīng)前期毒物性實(shí)驗(yàn)都做完了,，我不是搞醫(yī)學(xué)，和別的醫(yī)院合作,，現(xiàn)在找一個(gè)小鼠過來,，馬上做豬的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闅夤苤Ъ芤�做豬的實(shí)驗(yàn),，后續(xù)因?yàn)楦�哈爾濱醫(yī)院合作,，您說的這個(gè)問題非常重要，我們在前期這些事都已經(jīng)做過實(shí)驗(yàn)了,，要不也不敢做后面的實(shí)驗(yàn),，材料前期不解決了，后面不要去做了。

韓倩倩：剛剛您提到這是一類材料,，在您的工作當(dāng)中,，您覺得最能先走到一個(gè)所謂臨床階段是哪一種？

冷勁松：聚乳酸,、聚氨酯,、（聚己內(nèi)脂）都差不多，材料毒性沒有問題了,，力學(xué)強(qiáng)度各方面還是不太一樣,，不同支架地方用的不一樣。這三種都可以了,。我們集中在材料,，我們可以賣材料，你買過去之后你愛打什么打什么,，我們學(xué)生[url=]打[/url][j1] 印過心臟,、[url=]打[/url][j2] 印過肺，然后變形,。能做的東西很多,，生物只是我們剛開始，航天衛(wèi)星上量很大,，不像個(gè)人一個(gè)一個(gè)支架來用,，比如說航天五院，100顆衛(wèi)星,，一下產(chǎn)值幾個(gè)億,，因?yàn)楹教靽�際上只有我們能做，我們首次在高軌道衛(wèi)星用了,，美國現(xiàn)在也沒有,，生物醫(yī)學(xué)我們現(xiàn)在看好，我為什么做封堵器,，封堵器解決一些社會問題，支架效益是高但是也在做,，因?yàn)樾『⒂靡粋�(gè)東西在里面很難受,。

裴國獻(xiàn)：千萬不要忽視醫(yī)療市場。你這個(gè)工作特別有價(jià)值,。
冷勁松：這個(gè)需要投資機(jī)構(gòu)大量投入燒錢才行,，我們學(xué)校能往這做已經(jīng)很不容易了，我們學(xué)校航天是全產(chǎn)業(yè),，從材料到力學(xué)結(jié)構(gòu),，中國高校找到我們這樣很少，醫(yī)學(xué)往前做，但是后續(xù)需要有各方面來合作做這個(gè)事,。


周賽：我問一個(gè)比較簡單的問題,，剛才看你的材料遇熱導(dǎo)電磁場會變形，如果反過來說遇到冷是不是變回去了,。

冷勁松：第一個(gè)問題現(xiàn)在這個(gè)聚合物有兩種,，一種就是我們讓它變形之后回不來了，不會回來了,，加到30度變形了,，你再30度它也回不來了，這種材料只能單向變,，回不來了,。

周賽：用到醫(yī)學(xué)想象力空間很大，這一塊往下推的情況下,，選擇醫(yī)學(xué)某一個(gè)領(lǐng)域深度挖掘,。

冷勁松：我們也在做乳腺支架。乳腺支架放進(jìn)去之后可以撐開,。第一能變形,，第二能可控變形，溫度降了變硬了,，變剛度了可以承受力,。

張希波：這個(gè)材料和技術(shù)非常好應(yīng)用到航空航天，你們原來技術(shù)研究當(dāng)時(shí)訴求的方向,，現(xiàn)在應(yīng)用在新的領(lǐng)域,，今天談在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用，在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,，你們想先應(yīng)用到氣管支架也好,，包括骨組織支架也好，血管支架也好,，你們認(rèn)為能夠快速先應(yīng)用到哪一個(gè)領(lǐng)域�,，F(xiàn)在目前有沒有跟一些醫(yī)院和教學(xué)醫(yī)院有一些協(xié)同的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。原來你們可能是一體化的研究,，契合度很高,，現(xiàn)在把新的技術(shù)和材料應(yīng)用到新的領(lǐng)域，訴求痛點(diǎn)都有,，有不同的方式方法在解決,，你們迎著需求去了，是不是在可行性上,，快速進(jìn)入到哪一個(gè)具體領(lǐng)域,。

冷勁松：我們覺得外骨固定,，相對比體內(nèi)容易一點(diǎn)，我們從外骨固定的角度快一點(diǎn)的應(yīng)用,。體內(nèi)支架也能弄,，但是要做很長時(shí)間毒性實(shí)驗(yàn)，人體實(shí)驗(yàn)學(xué)校只能做幾例,，后續(xù)有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)來做,，否則做不了這個(gè)工作。但是我認(rèn)為這個(gè)東西將來從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域講,，這些東西從原理上后續(xù)都可以,，因?yàn)樗�是提供一個(gè)新的方向，能讓你原來的東西動(dòng)起來,，這個(gè)東西我們在國際上,，現(xiàn)在國外一些研究院所也在做，國外大的公司雅培也可能在做,，但是沒有公開過,，所以中國這方面要快速投入的話可能有一些成果。我認(rèn)為外骨容易一點(diǎn),。

冷勁松：我們學(xué)校跟公司不一樣,，我們80多個(gè)人忙不過來。你想想能做的都可以做,，醫(yī)學(xué)的話需要跟一些企業(yè),、大學(xué)、醫(yī)院來廣泛合作,，現(xiàn)在跟哈爾濱醫(yī)院合作,，現(xiàn)在在做一些小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

曹爾寧：發(fā)展的方向,，我想探討作為院校盡快想到商業(yè)化的模式,，這樣才能吸引社會投資參與進(jìn)來。必須要集中精力發(fā)展出一個(gè)可以商業(yè)化的產(chǎn)品,，然后再逐漸推廣,。

冷勁松：謝謝您說的非常對，航天準(zhǔn)備要先落地,，我們上過天做過驗(yàn)證了,，醫(yī)學(xué)我們在往前在做。那么多學(xué)生不能做一個(gè),，做一個(gè)畢不了業(yè)了，一個(gè)學(xué)生只能做一個(gè)支架,，別人再做就得換別的材料了,，后續(xù)怎么應(yīng)用后面再研究。