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  植入封堵裝置是治療結(jié)構(gòu)性心臟病的有效方法。但目前大多數(shù)商用封堵裝置均由不可降解的鎳鈦合金制成，易導致金屬離子過敏、腐蝕、糜爛等并發(fā)癥。因此研發(fā)出可降解、生物相容性好且展開可控的心臟封堵器是目前亟需解決問題。

  針對以上問題，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授課題組將可編程的形狀記憶聚合物與3D打印技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并制備了可個性化定制、可生物降解及遠程驅(qū)動控制的形狀記憶聚合物封堵器，有望成為金屬封堵器的潛在替代裝置。該研究成果以題為“4D-Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

圖1  （a）ASD及封堵器植入過程示意圖；（b）封堵器設(shè)計圖；（c）4D打印形狀記憶封堵器

  該團隊以房間隔缺損（ASD）封堵器為例，設(shè)計了可編程的形狀記憶ASD封堵器。封堵器包含框架式支撐結(jié)構(gòu)和阻流膜，引入磁性納米顆粒實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的遠程可控展開；優(yōu)化設(shè)計框架幾何參數(shù)以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高收納比和優(yōu)良的力學性能；通過模擬人體載荷工況，評估了封堵器的承載能力；體外細胞培養(yǎng)及體內(nèi)植入實驗表明封堵器具有良好的生物相容性，利于細胞粘附及新生組織向封堵器內(nèi)生長，有助于快速內(nèi)皮化；H&E染色結(jié)果顯示植入兩周后可見降解顆粒（圖2），驗證了封堵器的可降解性；可行性驗證表明封堵器可快速、完全的實現(xiàn)編程回復及封堵過程（圖3）。

圖2  封堵器植入過程；（b）植入后封堵器及周圍粘附組織；（c）植入后不同時間封堵器周圍組織H&E染色圖

圖3  4D打印形狀記憶聚合物封堵器（a）在外加磁場下的編程回復；（b）功能驗證

  該工作以ASD封堵器為例，其他類型的封堵裝置也可以類似的方式設(shè)計和制造。綜上，4D打印形狀記憶聚合物封堵器有望成為金屬封堵器的替代品，該項工作為其進一步的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

  論文的第一作者為哈爾濱工業(yè)大學博士生林程，共同通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授和劉立武教授。此項研究得到了哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院的富路老師、李元十老師及博士生呂金鑫的大力支持。同時得到了國家自然科學基金委等資金的資助。

  冷勁松教授團隊長期從事形狀記憶聚合物（Mat Sci Eng C-Mater 2019, 97, 864；中國科學:技術(shù)科學, 2018. 48(08): 第811-826頁）及4D打印主動可控智能器件的生物應(yīng)用（中國科學:技術(shù)科學, 2019. 49(01): 第13-25頁；中國科學:技術(shù)科學, 2018. 48(01): 第2-16頁），包括4D打印組織骨支架、氣管支架材料（Composites Part A 2019, 125, 105571；Acs Appl Mater Inter 2016, 9, 876）、結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學分析（Compos Sci Technol 2019, 107866），以及功能化（Carbon 2019, 155, 77，ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 24523）。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906569