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【中国知识产权报】水凝胶“变形记”

发表日期:2022-06-29来源:兰州化学物理研究所放大 缩小

  现代电子游戏与奇幻小说里常常出现一种虚构生物,果冻状、半透明的身体是它的显著特征。除此之外,它还可以变换形状,进行分裂或融合。这种生物就是史莱姆。那么,在现实世界中是否有和它类似的事物呢?它可以发挥怎样的作用呢?答案是肯定的。现实世界的水凝胶可以说是幻想世界的史莱姆,它性质柔软,能保持一定的形状,可吸收大量的水,在工业、生物医学等领域已被广泛应用。 

  血管支架“可变形” 

  众所周知,冠脉支架植入术已是治疗冠心病最有效的方法之一。而血管支架的材质也在不断迭代。近日,中国科学院兰州化学物理研究所(下称中科院兰州化物所)王齐华研究员团队,设计开发了一种具有双重刺激响应性的海藻酸钠水凝胶材料,并成功实现4D打印。该支架在温和条件下可双响应变形变刚度,为血管支架提供了一种新的思路和途径。 

  据悉,海藻酸钠水凝胶材料在外界环境刺激下,能够改变形状或性能,从而弥补了金属支架易造成血管壁损伤等不足。“我们受到含羞草这一植物的启发,联想到了生物相容性好、可设计性强的海藻酸钠水凝胶材料。”王齐华向记者介绍,水凝胶材料较多应用在药物缓释、生物胶水方面,材料本身的性能即可轻松解决。然而,让它变成有一定的力学支撑性能的血管支架,就需要下一番功夫。 

  于是,团队在溶液浓度及交联结构方面进行了创新,提高了凝胶强度,使材料保持打印形状,再通过大量调试,得到了合适的3D打印墨水。在此过程中,团队形成了一系列创新技术,提交了“一种用于3D打印的水凝胶材料及制备方法和应用、外界刺激双响应海藻酸钠的制备方法”“一种聚己内酯/海藻酸钠复合材料及其制备方法和应用”等多件专利申请。 

  材料打印完成了,但水凝胶管状立体结构与转轴粘结,难以完整取下。这是团队面临的又一个难题。大家纷纷做实验想办法,最终还是从自然现象中得到了启发。“我们联想到荷叶疏水的简单原理,尝试在转轴表面添加了一层疏水涂层,完美地解决了难以脱模的问题。”王齐华介绍,团队还进一步改进了打印速率,成功地打印出具有固定形状的血管支架。 

  “我们在刺激-响应性材料,特别是形状记忆聚合物方面,开展了10余年的研究,积累了许多开发新材料和表征性能方面的经验。近两年,我们还与兰州大学第二医院进行密切的合作,在生物相容性方面开展了大量的工作。”王齐华告诉记者,下一步,团队将继续改进打印方法,通过结构设计提升水凝胶材料强度,拓宽材料的研究范围,针对体内植入医疗器材等方面进行更加完善的专利布局。 

  组织器官“可仿真” 

  现代生物医学中,组织器官模型是用于模拟人体结构形态和生理环境的体外生物医用器械,目前已经越来越广泛地应用于术前训练、医疗教学、辅助诊断以及新型医疗器械的开发测试。近日,中科院兰州化物所固体润滑国家重点实验室王晓龙研究员团队成功制备了血管网络、肺、肝、胃、肠、膀胱等生物器官结构的仿真湿滑水凝胶组织器官模型。 

  “相比于传统的塑料、树脂或者硅胶类模型,水凝胶基的仿真人体器官模型在真实地模拟组织器官的生理环境和界面物质交换方面,具有显著的优势。”王晓龙表示,有些组织器官是具有大跨度中空结构的薄壁腔室,难以直接通过3D打印构建。为此,团队提出利用3D打印热可逆水凝胶模板辅助构筑仿真湿滑水凝胶器官模型的新策略。 

   据悉,要实现热可逆水凝胶模板的打印,就需要利用热场辅助的墨水直书写打印技术,其中,水凝胶墨水的流变学性能是关键。王晓龙介绍,在制备仿真湿滑水凝胶组织器官的过程中,团队首先解决了3D打印热可逆水凝胶墨水这一难题。团队淘汰了传统的模具浇筑制备水凝胶的策略后,提交了“一种热可逆水凝胶的制备方法”等发明专利申请,制备了具有合适打印窗口的热可逆水凝胶墨水,进而实现热脱除水凝胶模板的高精度制造。 

  此外,如何在3D打印水凝胶模板上,制备均匀的薄壁水凝胶层是团队面临的又一难题。基于此,团队提交了“一种中空水凝胶及其制备方法和应用”等发明专利申请,将3D打印热脱除水凝胶模板和超分子化学组装物理交联水凝胶相结合,实现了水凝胶壳层的可控均匀构筑,制备出中空水凝胶。在此基础上,团队通过层层组装方式,调控其力学性能和模拟组织的梯度结构,形成了各种复杂的仿真湿滑水凝胶组织器官模型。 

  “我们主要围绕高性能聚合物3D打印和仿生摩擦学开展应用基础研究,已进行了多种高性能聚合物和柔弹性材料的高精度光固化3D打印制造,并在航空航天、电子电器、汽车和高端装备等复杂结构构件及组件制造上有所突破。”王晓龙告诉记者,目前,团队制备的血管网络结构等仿真水凝胶器官模型,还缺乏一些细节特征。未来,团队将进一步开发光固化3D打印水凝胶以及组织器官模型,利用光固化3D打印在复杂结构成形方面的优势,进一步提升模型的仿真度以及与生物体天然组织器官的匹配度。在研究工作中形成的发展新技术、新材料、新方法,团队会加快自主知识产权布局,实现仿真湿滑水凝胶组织器官模型的应用转化。(刘弘一) 

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