哈尔滨工业大学冷劲松团队：形状记忆聚合材料及其4D打印在生物医疗领域的应用

哈尔滨工业大学冷劲松先生展示，形状记忆聚合材料及其4D打印在生物医疗领域的应用。

冷劲松：尊敬各位评委、各位老师大家上午好！

首先介绍一下我本人和我的团队，今年刚刚当选欧洲科学院院士，欧洲科学与艺术院院士，我们团队哈工大老师7、8个人。汇报一下4D打印技术，什么是4D打印呢？咱们大赛是3D打印，3D就是打印复杂结构，4D打印完结构可以变形。

我们有一个普通的结构，打印之后可以改变结构的形状，美国科学家2013年提出来，比如说穿了一个裙子，你打印的裙子跟我的裙子看着一样，我加一个电磁光热可以变形，裙子格变形不撞衫。

形状记忆材料

什么是形状记忆材料，这种材料加热后自己可以变形。搞生物医学都知道聚合物，比如高分子材料。但是我们的材料跟普通聚合物不一样，当对其加热使其达到玻璃化转变温度时，材料可以产生可回复的形变。

形状记忆聚合物的软硬能够随温度变化，低于转变温度材料是硬的，高于转变温度材料变软，材料本身模量在高低温作用下变化200倍，材料具有两个特点，一个变形一个变软硬。

这个材料有哪些变形的方法呢？可以通过把它放在热水里面使其变形，也可以通电，用光照，用磁场和射频，以及在不同溶液里面使其变形。

我们在国际上首次把形状记忆材料做成打印线。这个材料跟传统的3D打印线外观是一样的。打印出来的结构表面看一样，但是一加热就变形，在磁场中可以变形、通电也可以变形，这个材料能够按照你需要的形状，通过电磁光热来改变形状。

举个例子，你看这是什么形状？认不出来。在水里面自己张开是一个金门大桥的形状。这是我们打印打出来的。当然你可以打印一些结构自己重构，让其在水里面展开。


4D打印形状记忆聚合物在生物医疗领域的应用

我们主要做心脏封堵器、血管支架、骨组织支架和4D打印外骨骨组织固定。


这里举例讲下骨组织支架植入。骨组织支架植入这个应用市场很大。还有先天心脏病。支架在先天心脏病上的应用市场虽然不大，但是其对人类的社会意义还是很大的。国内很多企业我也不介绍了。现在植入的金属支架是依靠器械加工制备的。怎么实现其在生物体内的展开呢？靠金属弹性变形。除了金属支架，传统的可降解支架都是靠外界的力，靠气囊展开。我们现在做这个就不一样了。我们的材料通过自己变形进行展开，变形这一过程可以通过对形状记忆聚合物施加电磁光热来调控。同时形状记忆聚合物支架具有可生物降解性以及生物相容性，跟刘总介绍一样。

有血栓了可以放一个支架在里面，放进去之后加磁场可以撑开支架，我们做的国际上首个支架，不光能张开，张开之后把磁场去掉了，材料变的很硬可以承载，力学性能各方面满足原来要求。这一点我们已经有了广泛的实验论证。

再来讲讲气管支架，气管塌陷是瘪的。放一个我们打印的支架，在磁场作用下，这个材料有铁磁颗粒能自己形成气管支架。除了磁场，人体里面血液70%是水，如果不需要支架快速展开，其在血液里自己也可以慢慢展开。

骨组织缺损怎么办呢？可以打印一个定制化支架，在骨组织缺损里面让它张开。很重要的是支架张开之后可以控制6到7个月的时间使其降解。打印机可以打印骨组织支架，通过小的微创手术植入到缺损里面之后，施加磁场可以使支架展开。支架不光能展开，后续可以降解，也可以定制化。根据不同人体情况进行定制化的支架打印是很重要，因为不同人的血管厚薄以及骨组织缺损大小都是不一样。

这是心脏封堵器。先天心脏病瓣膜缺损，怎么办呢？医院用的，进去一个导管把金属支架支开，金属封堵器在人体待一辈子，不光受人体各个方面影响，金属离子析出，对于心脏生长有影响。我们国际上有一个专利，封堵器用形状记忆聚合物做的，在水里面张开，控制它长好之后，6到8个月一年时间再长一点可以降解。后续可以做药物释放，有一些胶囊药可以释放出来。




这个做外骨固定。骨折打石膏，用我们这个东西放进去之后，如果关节折了之后，我们加热变暖可以来回动，等你动完之后温度一降就固定住了，你骨折加热了，这个东西变弯抠在手上，把温度撤了，把外力撤了，你把它固定住，到了医院拿吹风机吹自己可以开了。

我们现在相关的实验已经做到什么程度呢？细胞毒性及细胞相容性已经做完了。大鼠组织相关性已经做了。现在正在尝试将4D打印形状记忆聚合物用到猪身上。


总结

4D打印形状记忆聚合物解决了医疗植入器件的个性化定制问题。我们已经做出了血管支架、气管支架、骨组织支架、封堵器、外骨骼固定等等。我们学校在航天航空方面有着许多研究，未来可以用我们的材料代替卫星铰链结构直接实现帆板展开。

柔性电池在空间中的展开是一个很重要的问题。现在是采用什么方法？用绳子和电机把卷曲的电池板摊开。形状记忆聚合物可以很好的代替这种机械结构。我们把柔性电池薄膜用我们形状记忆聚合物卷上，在地面卷了之后，你需要的时候对形状记忆聚合物加热使卷筒结构张开。张开之后形状记忆聚合物马上变硬了，这样又回复了其承载能力。这种结构我们简称为形状记忆聚合物铰链。我们这一方案能解决卷曲、展开、钢化一系列问题。

形状记忆聚合物铰链这个东西在2016年在卫星上应用载轨两年了，后续也将在火星上应用，我们这个团队主要研究方向中，形状记忆聚合物在航空航天中的应用是一个重要的课题。到目前为止，我们研发出了一系列聚合物材料。生物医学材料转变温度37度，跟人体温度差不多，航天航空温度200度，空间环境温度本身就高，材料变形温度要到250度，否则环境温度到170我就变形了。

我们免费对国内外好多研究院所提供自制的形状记忆聚合物打印线，但是目前没有产权化。

我们做了气管支架完成这些实验，目前航天这方面准备要产业化，生物医学这方面还没有，希望今天跟生物医学、药监局、医生、投资机构的人来谈未来怎么应用，巧妇难做无米之炊，人工智能要有一个物质基础，我说话必须有东西，结构和材料是物质基础，我们特点是材料，打印技术我们也在做，我们主要是材料和结构。

与传统的3D打印相比，4D打印具有独特的可控形变优势。我的汇报到此结束！


专家点评

裴国献：冷教授，我觉得这个工作非常有价值，您刚才提的几个病例、用的方位我们都有体会，形状记忆合金80、90年代骨科临床做的非常多了，做的最多是长海医院张教授，你这个工作，你谈了4D打印，那么与3D打印，与传统形状记忆合金有什么不同。

冷劲松：它不是合金是聚合物，能降解是聚合物的不同之处，传统心脏支架都是金属，什么是聚合物，塑料杯子就是聚合物，我们做的不是形状记忆合金，是形状记忆聚合物，聚合物本身可以降解，跟可降解材料一样，我们材料除了可降解功能求可以自己控制变形。

我们把聚合物加上纤维做成复合材料之后，控制磁场控制使其变形。4D和3D的区别是，3D打印东西是打印复杂结构，4D是你打的复杂结构能变成你需要的形状。形状记忆合金金属也可以变行，但是没有办法将其3D打印，并且记忆金属降解非常难，我们的特点一个是聚合物可以变形，而且是大变形，记忆合金变形量8%到12%，聚合物600%，聚合物跟金属不一样可以降解，金属怎么控制它？金属在人体血管里靠超弹性自己弹开。聚合物控制方式很多，我们可以加热放在热水里面，可以加磁场，可以光照，可以放在人体血液里面，人体血液70%是水，温度不变，水自己可以让它变形，就是这个材料可以变形。

裴国献：骨头那一块你的思路特别好，采用微创的技术植入进去，里面经过体内温度变化可以膨胀，但是骨缺损修复一定要支撑，膨大之后。

冷劲松：承受力没有问题的，我们文章已经要发表了，我们也做过力学性能实验，跟金属骨组织支架相比是没有问题的，同时我们这个结构设置成多孔的结构。

裴国献：我不是挑毛病，我提一下，撑开以后有力学强度不行，骨细胞长进去，核材料怎么样，这个你们要做。进去以后材料支撑自身细胞的生长这个你们要关注。

冷劲松：您说的对，我们的材料跟细胞兼容性、生长正在做这个东西，而且现在我们有一个好处，这个上面可以载药，让药释放出来。

裴国献：我说什么意思，我们也在做这个方面的研究，不是你们这个方面的材料，最后细胞一定要长进去，最后长的一定是自己的骨头融合非常好，这样将来强度才能形成自己的骨骼，医学强度性能才能真正实现。

冷劲松：这个是可以降解，最后不是在人体。我们研究可以控制降解时间、降解速度，长好了再降解。

韩倩倩：我觉得在变形创新性还是比较强的，我想问这个材料主要成分是什么？


冷劲松：我们做很多种材料，像航天环氧、聚氨酯、聚乳酸我们都做，我们做了很多种不同类型的材料，这些材料多有降解功能，因为形状记忆聚合物不是一种材料是一类材料，像记忆合金是一类的材料。

韩倩倩：具体到某一个具体产品的话，针对这一种材料具体是什么，降解过程，降解速率、体内和体外降解产物要说清楚。

冷劲松：我们都做了，包括细胞兼容性、小鼠实验都做了，包括细胞生长，您说的降解速率实验都做了，现在做一点动物实验。

韩倩倩：因为对于产品来讲它的安全性也是至关重要的。

冷劲松：我们现在已经前期毒物性实验都做完了，我不是搞医学，和别的医院合作，现在找一个小鼠过来，马上做猪的实验，因为气管支架要做猪的实验，后续因为跟哈尔滨医院合作，您说的这个问题非常重要，我们在前期这些事都已经做过实验了，要不也不敢做后面的实验，材料前期不解决了，后面不要去做了。

韩倩倩：刚刚您提到这是一类材料，在您的工作当中，您觉得最能先走到一个所谓临床阶段是哪一种？

冷劲松：聚乳酸、聚氨酯、（聚己内脂）都差不多，材料毒性没有问题了，力学强度各方面还是不太一样，不同支架地方用的不一样。这三种都可以了。我们集中在材料，我们可以卖材料，你买过去之后你爱打什么打什么，我们学生[url=]打[/url][j1] 印过心脏、[url=]打[/url][j2] 印过肺，然后变形。能做的东西很多，生物只是我们刚开始，航天卫星上量很大，不像个人一个一个支架来用，比如说航天五院，100颗卫星，一下产值几个亿，因为航天国际上只有我们能做，我们首次在高轨道卫星用了，美国现在也没有，生物医学我们现在看好，我为什么做封堵器，封堵器解决一些社会问题，支架效益是高但是也在做，因为小孩用一个东西在里面很难受。

裴国献：千万不要忽视医疗市场。你这个工作特别有价值。
冷劲松：这个需要投资机构大量投入烧钱才行，我们学校能往这做已经很不容易了，我们学校航天是全产业，从材料到力学结构，中国高校找到我们这样很少，医学往前做，但是后续需要有各方面来合作做这个事。


周赛：我问一个比较简单的问题，刚才看你的材料遇热导电磁场会变形，如果反过来说遇到冷是不是变回去了。

冷劲松：第一个问题现在这个聚合物有两种，一种就是我们让它变形之后回不来了，不会回来了，加到30度变形了，你再30度它也回不来了，这种材料只能单向变，回不来了。

周赛：用到医学想象力空间很大，这一块往下推的情况下，选择医学某一个领域深度挖掘。

冷劲松：我们也在做乳腺支架。乳腺支架放进去之后可以撑开。第一能变形，第二能可控变形，温度降了变硬了，变刚度了可以承受力。

张希波：这个材料和技术非常好应用到航空航天，你们原来技术研究当时诉求的方向，现在应用在新的领域，今天谈在生物医疗方面的应用，在这个领域的应用，你们想先应用到气管支架也好，包括骨组织支架也好，血管支架也好，你们认为能够快速先应用到哪一个领域。现在目前有没有跟一些医院和教学医院有一些协同的创新实验。原来你们可能是一体化的研究，契合度很高，现在把新的技术和材料应用到新的领域，诉求痛点都有，有不同的方式方法在解决，你们迎着需求去了，是不是在可行性上，快速进入到哪一个具体领域。

冷劲松：我们觉得外骨固定，相对比体内容易一点，我们从外骨固定的角度快一点的应用。体内支架也能弄，但是要做很长时间毒性实验，人体实验学校只能做几例，后续有一些机构进来做，否则做不了这个工作。但是我认为这个东西将来从医学领域讲，这些东西从原理上后续都可以，因为它是提供一个新的方向，能让你原来的东西动起来，这个东西我们在国际上，现在国外一些研究院所也在做，国外大的公司雅培也可能在做，但是没有公开过，所以中国这方面要快速投入的话可能有一些成果。我认为外骨容易一点。

冷劲松：我们学校跟公司不一样，我们80多个人忙不过来。你想想能做的都可以做，医学的话需要跟一些企业、大学、医院来广泛合作，现在跟哈尔滨医院合作，现在在做一些小动物实验。

曹尔宁：发展的方向，我想探讨作为院校尽快想到商业化的模式，这样才能吸引社会投资参与进来。必须要集中精力发展出一个可以商业化的产品，然后再逐渐推广。

冷劲松：谢谢您说的非常对，航天准备要先落地，我们上过天做过验证了，医学我们在往前在做。那么多学生不能做一个，做一个毕不了业了，一个学生只能做一个支架，别人再做就得换别的材料了，后续怎么应用后面再研究。