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4D打印形狀記憶聚合物複合材料支架有機高分子材料。

關鍵詞： 形狀記憶聚合物，4D打印，智能支架，遠程驅動

應用領域

形狀記憶聚合物生物醫用

成果簡介

形狀記憶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響應，諸如溫度、光、電場、磁場、溶液等作用下，它們能夠從臨時形狀變為初始形狀。3D打印技術具有複雜結構成型、加工快速、原材料高效利用等特點，促進了複雜仿生結構在多個領域的應用。然而，3D打印的結構是靜止的、無生命的，結構缺乏環境自適應等能力，生物運動的靈巧性、多樣性優勢不能完全體現，難以滿足生物醫療領域對新材料、新器件和新結構的智能化、仿生化和可定製化的新要求。4D打印技術，是將3D打印技術與智能材料相結合實現智能材料與結構的快速成型技術，所製備的結構在特定的環境和激勵下，其物理特性及功能可以隨時間的變化而發生自我轉變。4D打印技術應運而生，賦予打印結構在特定的環境激勵下，其物理特性及功能可以隨時間發生自我轉變。

這項技術不僅使複雜結構件的製備成為可能，所得的結構具備智能化、可以隨外界環境變化而發生響應。冷勁松教授團隊從生物可降解形狀記憶聚合物材料的分子結構設計入手，發展匹配熔融沉積、直書寫等4D打印技術的形狀記憶聚合物專用材料，基於新型形狀記憶複合材料變形和控性機理，建立了熱/光/電/磁等激勵響應形狀記憶聚合物複合材料體系，研究其多場耦合條件下材料和結構的智能變形行為，揭示了從材料、性能、功能到製品行為的映射規律，突破了4D打印技術、力學設計理論、智能仿生結構設計等關鍵技術，實現智能仿生結構在生物醫療領域的功能應用驗證。研製的4D打印形狀記憶血管支架、氣管支架、骨組織支架、心臟封堵器等多種可植入生物醫學器件，具有可個性化訂製、主動變形、可降解、生物兼容性好、非接觸遠程驅動等優點。個性化的4D打印器件可實現與患者缺損處的高度適配，顯著提高封堵成功率並且有效減少併發症。

該成果形成面向生物醫療領域的典型應用的材料設計-製備-表徵-結構優化-增材製造-功能應用驗證為一體的短周期、低成本研發新模式，突破了現有研發模式的局限，為形狀記憶材料、智能仿生結構設計及增材製造高效快速研發與應用開闢了新模式。4D打印智能結構對於可植入生物醫療器件等產業均具有重要的產業技術推動意義，符合國家產業升級方面的需求，有利於增強生物醫療領域企業的市場競爭力。此外，國家重大工程對產品智能化、個性化的需求，進一步推動了智能複合材料與結構在航空航天等重點領域的應用。基於具有獨立自主知識產權的形狀記憶聚合物複合材料，通過精細的力學理論分析和巧妙的智能結構設計，課題組研製的中國國旗鎖緊展開機構，在天問一號火星探測器取得成功應用，使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結構應用於深空探測工程的國家。

經濟效益與社會效益

根據市場研究機構Marketsand Markets在《4D 打印市場之材料、終端用戶的行業和地域--全球趨勢及預測，2019-2025》指出：2025年，4D打印市場將達到 5.556 億美元。該研究成果的應用，可顯著縮短形狀記憶聚合物材料及智能結構一體化成形的研製周期、降低研發和生產成本，從而滿足國家重大工程對智能複合材料與結構的小批量、多品種、個性化需求，並推動其在生物醫療國民經濟重點領域的大規模應用。