植入封堵装置是治疗结构性心脏病的有效方法。但目前大多数商用封堵装置均由不可降解的镍钛合金制成,易导致金属离子过敏、腐蚀、糜烂等并发症。因此研发出可降解、生物相容性好且展开可控的心脏封堵器是目前亟需解决问题。
针对以上问题,哈尔滨工业大学冷劲松教授课题组将可编程的形状记忆聚合物与3D打印技术相结合,设计并制备了可个性化定制、可生物降解及远程驱动控制的形状记忆聚合物封堵器,有望成为金属封堵器的潜在替代装置。该研究成果以题为“4D-Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices”发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 (a)ASD及封堵器植入过程示意图;(b)封堵器设计图;(c)4D打印形状记忆封堵器
该团队以房间隔缺损(ASD)封堵器为例,设计了可编程的形状记忆ASD封堵器。封堵器包含框架式支撑结构和阻流膜,引入磁性纳米颗粒实现结构的远程可控展开;优化设计框架几何参数以实现结构的高收纳比和优良的力学性能;通过模拟人体载荷工况,评估了封堵器的承载能力;体外细胞培养及体内植入实验表明封堵器具有良好的生物相容性,利于细胞粘附及新生组织向封堵器内生长,有助于快速内皮化;H&E染色结果显示植入两周后可见降解颗粒(图2),验证了封堵器的可降解性;可行性验证表明封堵器可快速、完全的实现编程回复及封堵过程(图3)。
图2 封堵器植入过程;(b)植入后封堵器及周围粘附组织;(c)植入后不同时间封堵器周围组织H&E染色图
图3 4D打印形状记忆聚合物封堵器(a)在外加磁场下的编程回复;(b)功能验证
该工作以ASD封堵器为例,其他类型的封堵装置也可以类似的方式设计和制造。综上,4D打印形状记忆聚合物封堵器有望成为金属封堵器的替代品,该项工作为其进一步的发展奠定了基础。
论文的第一作者为哈尔滨工业大学博士生林程,共同通讯作者为哈尔滨工业大学冷劲松教授和刘立武教授。此项研究得到了哈尔滨医科大学附属第一医院的富路老师、李元十老师及博士生吕金鑫的大力支持。同时得到了国家自然科学基金委等资金的资助。
冷劲松教授团队长期从事形状记忆聚合物(Mat Sci Eng C-Mater 2019, 97, 864;中国科学:技术科学, 2018. 48(08): 第811-826页)及4D打印主动可控智能器件的生物应用(中国科学:技术科学, 2019. 49(01): 第13-25页;中国科学:技术科学, 2018. 48(01): 第2-16页),包括4D打印组织骨支架、气管支架材料(Composites Part A 2019, 125, 105571;Acs Appl Mater Inter 2016, 9, 876)、结构设计及力学分析(Compos Sci Technol 2019, 107866),以及功能化(Carbon 2019, 155, 77,ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 24523)。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906569
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