哈工大冷劲松院士/哈医大原慧萍教授团队合作：​4D打印眼眶支架用于治疗眼球内陷

来源：高分子科学前沿

眼球内陷是指正常大小的眼球相对于眼眶骨缘后移位的现象。商业用于治疗眼球内陷的植入体存在难以准精赋形、填充能力弱、手术创面大、CT显影不足等缺点。近日，哈尔滨工业大学冷劲松院士团队与哈尔滨医科大学附属第二医院原慧萍教授团队合作在《Biomaterials》上发表了题为《4D printed orbital stent for the treatment of enophthalmic invagination》的研究论文，冷劲松院士和原慧萍教授为共同通讯作者。论文报道了基于一种可CT显影的形状记忆复合材料，定制了4D打印眼眶支架用于眼球内陷的微创植入和个性化治疗。

作者通过在形状记忆聚氨酯基体中引入金纳米颗粒（AuNPs）和纳米羟基磷灰石（nHA），制备了转变温度接近体温、具有良好CT显像性的多功能AuNPs/ nHA /PU (AHP) 复合材料（图1）。受自然界一些力学性能优异的结构启发，将仿生蜂窝结构引入4D打印眼眶支架的设计（图2），基于CT重建技术，建立了与兔眼眶内腔隙轮廓相匹配的眼眶支架外轮廓，从而设计出个性化定制4D打印眼眶支架模型（图3）。


通过直书写生物打印AHP复材熔体，制造了力学性能足以支撑眶内组织的4D打印眼眶支架。在44 ℃的水中，压缩的AHP支架可以在8 s内实现形状回复。压缩为扁平临时形状的AHP支架能便捷地植入眼眶内，经44 ℃生理盐水冲洗，支架在32 s内展开并贴合腔隙，为快速、个性化填充眼球内陷提供了可行性（图4）。得益与AHP支架良好的CT显影性，采集的术后CT影像清晰显示出，在植入体形状、大小和体积相同的情况下，通过形状展开的AHP支架可以提供比压缩AHP支架、商用Medpor或Absorbable plate多150%的容积填充量（图5）。3月后的随访显示术后眶内组织向支架内生长状态良好。该论文中开发制备的可显影4D打印眼眶支架，满足了微创植入、可视化和个性化治疗眼球内陷的迫切需求。

图 1.（A） 眼部侧剖示意图。（B）4D打印眼眶支架植入治疗眼球内陷的示意图。（C）制备可显影复合材料示意图。（D）DSC曲线。（E）制备材料和显影剂的真实照片、CT图像和灰度值图谱。

图 2. （A）克鲁兹王莲莲叶，正方形单元和正方形模型。（B）蜻蜓翅膀，矩形单元和矩形模型。（C）螳螂虾虾尾及截面轮廓，正弦单元和正弦模型。（D）蜂房，蜂窝单元和蜂窝模型。（E）孔隙率P与a、b的函数关系。（F） 37 ℃时拉伸曲线。（G）在ABAQUS软件中模拟4个模型在相同拉伸载荷下的应变能。（H）四种模型的最大模拟应力、应变和位移值。

图 3.（A）用于CT扫描的健康公兔。（B）眶上壁与眼球之间的楔形空腔（红色标记）。（C）3-Matic软件重建眶骨三维模型，高亮标记上眶壁轮廓。（D）AHP支架的外轮廓。（E）AHP支架模型和4D打印AHP支架。（F）AHP支架植入前后眶上壁与眼球之间的压力强度。（G）AHP复合材料的蠕变曲线。（H）在ABAQUS软件中模拟AHP支架植入后24 h的受力情况。

图 4.（A） AHP支架在44 °C水中的形状回复过程。（B）AHP支架植入实验兔眶上壁与眼球之间的过程。（C）AHP支架植入兔眼眶内后用生理盐水 (44°C) 刺激的形状恢复过程。

图5. （A）未植入，植入并展开后AHP支架、压缩未展开AHP支架、植入Medpor和植入Absorbable plate后的CT图像。（B）AHP支架植入并展开后、压缩未展开AHP支架、Medpor和Abs-plate植入后引起的眶内容积增加。（C）植入三月后被压缩的AHP支架、上眶壁和眼球的位置和状态。（D）植入三月后展开的AHP支架、上眶壁和眼球的位置和状态。

该项研究成果获得了国家自然科学基金和黑龙江省头雁创新团队项目的大力支持。

冷劲松教授团队长期从事于智能结构力学及其应用研究。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 (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)。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，为中国探测器在火星上打下“中国标识”，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. https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac93d1)。