荷兰研发智能折纸技术 或将引发植入式医疗装置的革命

中研股份2017年2月24日讯  组织工程领域的终极目标是完整再生出具备一定功能的组织器官,这对于多种疾病的治疗具有革命意义。目前,组织再生领域的研究遍地开花,其中之一便是由荷兰马斯特里赫特大学(UMC)主导、代尔夫特理工大学(TU Delft)参与的大型研究项目:利用3D打印技术开发用于骨损伤恢复的个性化植入体。该项目于本月启动,一旦成功,将有望促进患者骨损伤快速恢复,并极大地减少外科手术。

英国皇家化学会《Materials Horizons》杂志封面报道了荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology,TU Delft)的最新研究成果:利用预先设计的3D打印二维(2D)平面结构,在外界温度激励下实现2D结构自发折叠,形成复杂三维(3D)立体结构。该技术有望应用于智能医疗植入物,如骨损伤恢复。

当然,这种3D打印智能生物材料的应用领域远远不止骨损伤恢复。目前,代尔夫特理工大学研究者Amir Zadpoor与莱顿大学医学中心(LUMC)、马斯特里赫特大学(UMC)等各大医院密切合作,进一步开发该技术的应用潜力。

Zadpoor说:“理想情况下,生物材料既要具备特定的3D结构,其表面也要具备一定的纳米级图形化结构。3D打印技术(3D Printing)能够提供制造复杂3D结构的方法,但是却难以兼顾表面的结构化;纳米光刻技术(Nanolithography)能够制造复杂的纳米级表面图形化结构,然而仅仅局限于2D平面。然而,却鲜有能够结合两者的方法。”

然而,Zadpoor却从古老的日本折纸(Origami)艺术中找到了方法。

Zadpoor说:“自然界的生物体会利用多种激发机制来控制其形状和功能的变化。受到自然界的启发,我们研究团队利用特殊设计的2D平面结构,在外界刺激(如温度变化)下自发变形,演变成复杂的3D立体形状。”

首先,利用3D打印技术打印出预先设计的特定2D平面结构;然后,在2D平面结构上光刻出纳米级图形化结构;最后,装饰有纳米级图形化结构的2D平面结构在特定激发条件(例如,温度变化)下,按特定规则自发折叠形成复杂的3D结构。

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四种基本折纸变形模式,其中红色代表形状记忆合金(SAM),蓝色代表超弹性材料。

研究者利用双层或多层形状记忆合金(SMP)与超弹性聚合物材料,结合多种不同预先设计的排列,获得四种基本折纸变形模式:(a-d)分别为自卷曲(self-rolling)、自缠绕(self-twisting,也称自螺旋)、自卷曲结合自褶皱(self-wrinkling)以及波浪状条带(wave-like strips)。

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三种复合结构形变。

此外,这些基本的变形模式还可以相互结合,形成复合结构形变:(a-c)分别为仿DNA自螺旋结构、蜂巢状结构演变、自折叠结构。

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单片自螺旋结构表面的多种微小表面图形化结构。上图为表面微型结构,下图为自螺旋3D结构。

此外,Zadpoor团队在自折叠结构表面光刻出不同类型的纳米级图形化结构。如此,随外界刺激可变形的智能3D结构生物材料,结合材料表面的微型结构,能够更好的模拟人体组织结构的形状和功能,有望应用于组织再生领域。

  Zadpoor说:“虽然这只是实现智能医疗植入体的第一步,但是其深远意义却不容小觑。”

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