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【中國知識產(chǎn)權報】水凝膠“變形記”
現代電子游戲與奇幻小說(shuō)里常常出現一種虛構生物，果凍狀、半透明的身體是它的顯著(zhù)特征。除此之外，它還可以變換形狀，進(jìn)行分裂或融合。這種生物就是史萊姆。那么，在現實(shí)世界中是否有和它類(lèi)似的事物呢？它可以發(fā)揮怎樣的作用呢？答案是肯定的?，F實(shí)世界的水凝膠可以說(shuō)是幻想世界的史萊姆，它性質(zhì)柔軟，能保持一定的形狀，可吸收大量的水，在工業(yè)、生物醫學(xué)等領(lǐng)域已被廣泛應用。
血管支架“可變形”
眾所周知，冠脈支架植入術(shù)已是治療冠心病最有效的方法之一。而血管支架的材質(zhì)也在不斷迭代。近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（下稱(chēng)中科院蘭州化物所）王齊華研究員團隊，設計開(kāi)發(fā)了一種具有雙重刺激響應性的海藻酸鈉水凝膠材料，并成功實(shí)現4D打印。該支架在溫和條件下可雙響應變形變剛度，為血管支架提供了一種新的思路和途徑。
據悉，海藻酸鈉水凝膠材料在外界環(huán)境刺激下，能夠改變形狀或性能，從而彌補了金屬支架易造成血管壁損傷等不足?！拔覀兪艿胶卟葸@一植物的啟發(fā)，聯(lián)想到了生物相容性好、可設計性強的海藻酸鈉水凝膠材料?！蓖觚R華向記者介紹，水凝膠材料較多應用在藥物緩釋、生物膠水方面，材料本身的性能即可輕松解決。然而，讓它變成有一定的力學(xué)支撐性能的血管支架，就需要下一番功夫。
于是，團隊在溶液濃度及交聯(lián)結構方面進(jìn)行了創(chuàng )新，提高了凝膠強度，使材料保持打印形狀，再通過(guò)大量調試，得到了合適的3D打印墨水。在此過(guò)程中，團隊形成了一系列創(chuàng )新技術(shù)，提交了“一種用于3D打印的水凝膠材料及制備方法和應用、外界刺激雙響應海藻酸鈉的制備方法”“一種聚己內酯/海藻酸鈉復合材料及其制備方法和應用”等多件專(zhuān)利申請。
材料打印完成了，但水凝膠管狀立體結構與轉軸粘結，難以完整取下。這是團隊面臨的又一個(gè)難題。大家紛紛做實(shí)驗想辦法，最終還是從自然現象中得到了啟發(fā)?！拔覀兟?lián)想到荷葉疏水的簡(jiǎn)單原理，嘗試在轉軸表面添加了一層疏水涂層，完美地解決了難以脫模的問(wèn)題?！蓖觚R華介紹，團隊還進(jìn)一步改進(jìn)了打印速率，成功地打印出具有固定形狀的血管支架。
“我們在刺激-響應性材料，特別是形狀記憶聚合物方面，開(kāi)展了10余年的研究，積累了許多開(kāi)發(fā)新材料和表征性能方面的經(jīng)驗。近兩年，我們還與蘭州大學(xué)第二醫院進(jìn)行密切的合作，在生物相容性方面開(kāi)展了大量的工作?！蓖觚R華告訴記者，下一步，團隊將繼續改進(jìn)打印方法，通過(guò)結構設計提升水凝膠材料強度，拓寬材料的研究范圍，針對體內植入醫療器材等方面進(jìn)行更加完善的專(zhuān)利布局。
組織器官“可仿真”
現代生物醫學(xué)中，組織器官模型是用于模擬人體結構形態(tài)和生理環(huán)境的體外生物醫用器械，目前已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應用于術(shù)前訓練、醫療教學(xué)、輔助診斷以及新型醫療器械的開(kāi)發(fā)測試。近日，中科院蘭州化物所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗室王曉龍研究員團隊，成功制備了血管網(wǎng)絡(luò )、肺、肝、胃、腸、膀胱等生物器官結構的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。
“相比于傳統的塑料、樹(shù)脂或者硅膠類(lèi)模型，水凝膠基的仿真人體器官模型在真實(shí)地模擬組織器官的生理環(huán)境和界面物質(zhì)交換方面，具有顯著(zhù)的優(yōu)勢?！蓖鯐札埍硎?，有些組織器官是具有大跨度中空結構的薄壁腔室，難以直接通過(guò)3D打印構建。為此，團隊提出利用3D打印熱可逆水凝膠模板輔助構筑仿真濕滑水凝膠器官模型的新策略。
據悉，要實(shí)現熱可逆水凝膠模板的打印，就需要利用熱場(chǎng)輔助的墨水直書(shū)寫(xiě)打印技術(shù)，其中，水凝膠墨水的流變學(xué)性能是關(guān)鍵。王曉龍介紹，在制備仿真濕滑水凝膠組織器官的過(guò)程中，團隊首先解決了3D打印熱可逆水凝膠墨水這一難題。團隊淘汰了傳統的模具澆筑制備水凝膠的策略后，提交了“一種熱可逆水凝膠的制備方法”等發(fā)明專(zhuān)利申請，制備了具有合適打印窗口的熱可逆水凝膠墨水，進(jìn)而實(shí)現熱脫除水凝膠模板的高精度制造。
此外，如何在3D打印水凝膠模板上，制備均勻的薄壁水凝膠層是團隊面臨的又一難題?；诖?，團隊提交了“一種中空水凝膠及其制備方法和應用”等發(fā)明專(zhuān)利申請，將3D打印熱脫除水凝膠模板和超分子化學(xué)組裝物理交聯(lián)水凝膠相結合，實(shí)現了水凝膠殼層的可控均勻構筑，制備出中空水凝膠。在此基礎上，團隊通過(guò)層層組裝方式，調控其力學(xué)性能和模擬組織的梯度結構，形成了各種復雜的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。
“我們主要圍繞高性能聚合物3D打印和仿生摩擦學(xué)開(kāi)展應用基礎研究，已進(jìn)行了多種高性能聚合物和柔彈性材料的高精度光固化3D打印制造，并在航空航天、電子電器、汽車(chē)和高端裝備等復雜結構構件及組件制造上有所突破?！蓖鯐札埜嬖V記者，目前，團隊制備的血管網(wǎng)絡(luò )結構等仿真水凝膠器官模型，還缺乏一些細節特征。未來(lái)，團隊將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)光固化3D打印水凝膠以及組織器官模型，利用光固化3D打印在復雜結構成形方面的優(yōu)勢，進(jìn)一步提升模型的仿真度以及與生物體天然組織器官的匹配度。在研究工作中形成的發(fā)展新技術(shù)、新材料、新方法，團隊會(huì )加快自主知識產(chǎn)權布局，實(shí)現仿真濕滑水凝膠組織器官模型的應用轉化。（劉弘一）
