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4D打印形状记忆聚合物复合材料支架有机高分子材料。

关键词： 形状记忆聚合物，4D打印，智能支架，远程驱动

应用领域

形状记忆聚合物生物医用

成果简介

形状记忆聚合物是智能高分子材料的重要分支，可以在外部刺激下做出响应，诸如温度、光、电场、磁场、溶液等作用下，它们能够从临时形状变为初始形状。3D打印技术具有复杂结构成型、加工快速、原材料高效利用等特点，促进了复杂仿生结构在多个领域的应用。然而，3D打印的结构是静止的、无生命的，结构缺乏环境自适应等能力，生物运动的灵巧性、多样性优势不能完全体现，难以满足生物医疗领域对新材料、新器件和新结构的智能化、仿生化和可定制化的新要求。4D打印技术，是将3D打印技术与智能材料相结合实现智能材料与结构的快速成型技术，所制备的结构在特定的环境和激励下，其物理特性及功能可以随时间的变化而发生自我转变。4D打印技术应运而生，赋予打印结构在特定的环境激励下，其物理特性及功能可以随时间发生自我转变。

这项技术不仅使复杂结构件的制备成为可能，所得的结构具备智能化、可以随外界环境变化而发生响应。冷劲松教授团队从生物可降解形状记忆聚合物材料的分子结构设计入手，发展匹配熔融沉积、直书写等4D打印技术的形状记忆聚合物专用材料，基于新型形状记忆复合材料变形和控性机理，建立了热/光/电/磁等激励响应形状记忆聚合物复合材料体系，研究其多场耦合条件下材料和结构的智能变形行为，揭示了从材料、性能、功能到制品行为的映射规律，突破了4D打印技术、力学设计理论、智能仿生结构设计等关键技术，实现智能仿生结构在生物医疗领域的功能应用验证。研制的4D打印形状记忆血管支架、气管支架、骨组织支架、心脏封堵器等多种可植入生物医学器件，具有可个性化订制、主动变形、可降解、生物兼容性好、非接触远程驱动等优点。个性化的4D打印器件可实现与患者缺损处的高度适配，显著提高封堵成功率并且有效减少并发症。

该成果形成面向生物医疗领域的典型应用的材料设计-制备-表征-结构优化-增材制造-功能应用验证为一体的短周期、低成本研发新模式，突破了现有研发模式的局限，为形状记忆材料、智能仿生结构设计及增材制造高效快速研发与应用开辟了新模式。4D打印智能结构对于可植入生物医疗器件等产业均具有重要的产业技术推动意义，符合国家产业升级方面的需求，有利于增强生物医疗领域企业的市场竞争力。此外，国家重大工程对产品智能化、个性化的需求，进一步推动了智能复合材料与结构在航空航天等重点领域的应用。基于具有独立自主知识产权的形状记忆聚合物复合材料，通过精细的力学理论分析和巧妙的智能结构设计，课题组研制的中国国旗锁紧展开机构，在天问一号火星探测器取得成功应用，使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能结构应用于深空探测工程的国家。

经济效益与社会效益

根据市场研究机构Marketsand Markets在《4D 打印市场之材料、终端用户的行业和地域--全球趋势及预测，2019-2025》指出：2025年，4D打印市场将达到 5.556 亿美元。该研究成果的应用，可显著缩短形状记忆聚合物材料及智能结构一体化成形的研制周期、降低研发和生产成本，从而满足国家重大工程对智能复合材料与结构的小批量、多品种、个性化需求，并推动其在生物医疗国民经济重点领域的大规模应用。