近日，2018增材制造全球創(chuàng)新大賽在北京豐臺(tái)舉行，南極熊發(fā)現(xiàn)了不少非常好的3D打印項(xiàng)目。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松團(tuán)隊(duì)——形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

下面是現(xiàn)場(chǎng)速記，南極熊希望可以很好還原其項(xiàng)目路演過(guò)程。

形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

——哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松

冷勁松：

團(tuán)隊(duì)組成

首先介紹一下我本人和我的團(tuán)隊(duì)，今年剛剛當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士，我們團(tuán)隊(duì)哈工大老師7、8個(gè)人。匯報(bào)一下4D打印技術(shù)，什么是4D打印呢？咱們大賽是3D打印，3D就是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D打印完結(jié)構(gòu)可以變形。

形狀記憶材料

普通的結(jié)構(gòu)，打印之后可以改變結(jié)構(gòu)的形狀，美國(guó)科學(xué)家2013年提出來(lái)，比如說(shuō)穿了一個(gè)裙子，你打印的裙子跟我的裙子看著一樣，我加一個(gè)電磁光熱可以變形，裙子格變形不撞衫。

什么是形狀記憶材料，這種材料看這個(gè)花，加熱自己可以變形，放在水里可以變形，搞生物醫(yī)學(xué)都知道，這是聚合物，像高分子、聚乳酸都是，但是我們的材料跟普通聚合物不一樣，你給一個(gè)熱，這個(gè)熱有一個(gè)溫度，到這個(gè)溫度可以變形，跟記憶合金一樣但是是高分子可以降解。

這個(gè)聚合物軟硬能夠變化，到了轉(zhuǎn)變溫度材料變形，同時(shí)低于轉(zhuǎn)變溫度材料是硬的，高于轉(zhuǎn)變溫度材料變軟，材料本身模量在高低溫作用下變化200倍，材料兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)變形一個(gè)變軟硬。

這個(gè)材料怎么變形呢？簡(jiǎn)單放在熱水里面，也可以通電變形，我們可以用光照變形，用磁場(chǎng)和射頻變形，光電磁熱溶液，在不同溶液里面變形，都可以改變形狀。

我們把這個(gè)材料做成打印線，這是國(guó)際上首次，這個(gè)線是純的，可以用熱驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)，這個(gè)材料跟傳統(tǒng)的線是一樣的，但是打出來(lái)的結(jié)構(gòu)表面看一樣，一加熱就變形，在磁場(chǎng)變形、通電也可以變形，這個(gè)材料能夠按照你的需要形狀改變形狀，通過(guò)電磁光熱材料打印。

你看這是什么形狀？認(rèn)不出來(lái)，在水里面自己張開(kāi)是一個(gè)金門大橋的形狀。這是一個(gè)鳥(niǎo)巢，加熱之后自己變成鳥(niǎo)巢了，這是我們打印打出來(lái)的。當(dāng)然你可以打印一些結(jié)構(gòu)自己重構(gòu)，在水里面展開(kāi)很多折紙的結(jié)構(gòu)。

形狀記憶聚合材料4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

Web  Of  Science是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，聚合物我本人文章190篇，世界第一。我們主要做心臟封堵器、血管支架、骨組織支架和4D打印外骨骨組織固定。


這里講一個(gè)骨組織植入，這個(gè)市場(chǎng)很大，支架大家都了解。還有先天心臟病，先天心臟病市場(chǎng)雖然不大，但是對(duì)人的社會(huì)意義還是很大。國(guó)內(nèi)很多企業(yè)我也不介紹了。現(xiàn)在植入金屬一個(gè)是器械加工，怎么開(kāi)呢？靠金屬?gòu)椥宰冃巍Ｎ覀儸F(xiàn)在做這個(gè)有一個(gè)特點(diǎn)，個(gè)性化打印，但是傳統(tǒng)可降解支架包括雅培都是靠外界的力，靠氣囊撐開(kāi)，我們的材料自己變形，可以加電磁光熱變形，同時(shí)也有降解和兼容性，跟劉總介紹一樣。

有血栓了可以放一個(gè)支架在里面，放進(jìn)去之后加磁場(chǎng)可以撐開(kāi)，我們做的國(guó)際上首個(gè)支架，不光能張開(kāi)，張開(kāi)之后把磁場(chǎng)去掉了，材料變的很硬可以承載，力學(xué)性能各方面滿足原來(lái)要求，跟傳統(tǒng)金屬支架力學(xué)性能做過(guò)對(duì)比。

氣管支架，氣管塌陷是憋的，放一個(gè)傳統(tǒng)，我們用打印的支架，在磁場(chǎng)作用下，這個(gè)材料有鐵磁顆粒自己形成氣管支架。人體里面血液70%是水，如果慢一點(diǎn)在血液里自己可以變形。

骨組織缺損怎么辦呢？可以打印一個(gè)定制化支架，在里面讓它張開(kāi)，很重要一件事張開(kāi)之后可以控制6到7個(gè)月支架可以降解、打印機(jī)可以打印骨組織支架，植入到里面之后，通過(guò)小的微創(chuàng)手術(shù)進(jìn)去之后，你加磁場(chǎng)可以展開(kāi)，不光能展開(kāi)，后續(xù)可以降解，可以定制化，定制化是很重要，因?yàn)槿梭w血管厚薄不一樣，骨組織缺損大小也不一樣。

這是心臟封堵器，先天心臟病瓣膜缺損，怎么辦呢？醫(yī)院用的，進(jìn)去一個(gè)導(dǎo)管把金屬支架支開(kāi)，金屬封堵器在人體待一輩子，不光受人體各個(gè)方面影響，金屬離子析出，心臟長(zhǎng)大有影響。我們國(guó)際上有一個(gè)專利，封堵器用形狀記憶合器做的，在水里面張開(kāi)，控制它長(zhǎng)好之后，6到8個(gè)月一年時(shí)間再長(zhǎng)一點(diǎn)可以降解。后續(xù)可以做藥物釋放，有一些膠囊藥可以釋放出來(lái)。
這個(gè)做外骨固定，骨折打石膏，用我們這個(gè)東西放進(jìn)去之后，如果關(guān)節(jié)折了之后，我們加熱變暖可以來(lái)回動(dòng)，等你動(dòng)完之后溫度一降就固定住了，你骨折加熱了，這個(gè)東西變彎摳在手上，把溫度撤了，把外力撤了，你把它固定住，到了醫(yī)院拿吹風(fēng)機(jī)吹自己可以開(kāi)了。

做到什么程度呢？細(xì)胞毒性及細(xì)胞相容性已經(jīng)做完了。大鼠組織相關(guān)性已經(jīng)做了。現(xiàn)在正在做豬狗以及人的實(shí)驗(yàn)。

總結(jié)

4D打印形狀記憶聚合物解決了醫(yī)療植入器件的個(gè)性化定制，做了血管支架、氣管支架、骨組織支架、封堵器、外骨骼固定等等。我們學(xué)校原來(lái)做航天航空的，這幾年剛剛開(kāi)始做，未來(lái)太陽(yáng)能到天上展開(kāi)應(yīng)該是硬的翻版，用我們的材料直接推開(kāi)。

柔性電池很重要，軟的在一起了，大家軟的怎么去展開(kāi)，到天上怎么展，沒(méi)有東西怎么展，現(xiàn)在怎么辦？用繩子和電機(jī)推開(kāi)，我們把柔性電池薄膜用我們材料卷上，在地面卷了之后，把溫度撤了固定住了，你需要的時(shí)候加熱張開(kāi)，張開(kāi)之后馬上變硬了，變硬可以承載，他們認(rèn)為我們能解決卷曲、展開(kāi)、鋼化。

一個(gè)說(shuō)明這個(gè)東西干什么，一卷曲，卷曲鎖住了，加熱自己開(kāi)，不光開(kāi)降了溫馬上變硬能承載，這個(gè)東西在2016年在衛(wèi)星上應(yīng)用載軌兩年了，后續(xù)在活性上應(yīng)用，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)原來(lái)做航空航天。我們發(fā)展了一系列聚合物材料。生物醫(yī)學(xué)材料轉(zhuǎn)變溫度37度，跟人體溫度差不多，航天航空溫度200度，空間環(huán)境溫度本身就高，材料變形溫度要到250度，否則環(huán)境溫度到170我就變形了。

把它做成打印線，我們?cè)趪?guó)內(nèi)外好多研究院所已經(jīng)免費(fèi)使用，但是沒(méi)有產(chǎn)權(quán)化。

我們做了氣管支架完成這些實(shí)驗(yàn)，目前航天這方面準(zhǔn)備要產(chǎn)業(yè)化，生物醫(yī)學(xué)這方面還沒(méi)有，希望今天跟生物醫(yī)學(xué)、藥監(jiān)局、醫(yī)生、投資機(jī)構(gòu)的人來(lái)談未來(lái)怎么應(yīng)用，巧婦難做無(wú)米之炊，人工智能要有一個(gè)物質(zhì)基礎(chǔ)，我說(shuō)話必須有東西，物質(zhì)基礎(chǔ)是材料和結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和材料是物質(zhì)基礎(chǔ)，我們特點(diǎn)是材料，打印技術(shù)我們也在做，我們主要是材料和結(jié)構(gòu)。

4D打印肯定是一個(gè)觀點(diǎn)，可以想像最簡(jiǎn)單一句話現(xiàn)在的材料是靜的，我們的材料是動(dòng)的，你加一個(gè)激勵(lì)就可以動(dòng)。我的匯報(bào)到此結(jié)束！

專家點(diǎn)評(píng)

裴國(guó)獻(xiàn)：冷教授，我覺(jué)得這個(gè)工作非常有價(jià)值，您剛才提的幾個(gè)病例、用的方位我們都有體會(huì)，形狀記憶合金80、90年代骨科臨床做的非常多了，做的最多是長(zhǎng)海醫(yī)院張教授，你這個(gè)工作，你談了4D打印，那么與3D打印，與傳統(tǒng)形狀記憶合金有什么不同。

冷勁松：它不是合金是聚合物，能降解是聚合物，傳統(tǒng)心臟支架都是金屬，什么是聚合物，塑料杯子就是聚合物，我們做的不是形狀記憶合金，是形狀記憶聚合物，聚合物本身可以降解，跟可降解材料一樣，我們材料除了可降解功能求可以自己控制變形。

我們把聚合物加上纖維做成復(fù)合材料之后，控制磁場(chǎng)控制變形，或者加上碳纖維。4D和3D的區(qū)別，3D打印東西是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D是你打的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能變，變成你需要的形狀。金屬也可以變，金屬不能打印，記憶合金打印不出來(lái)3D的東西，記憶金屬降解非常難，我們的特點(diǎn)一個(gè)是聚合物可以變形，而且是大變形，記憶合金變形兩8%到12%，聚合物600%，聚合物跟金屬不一樣可以降解，金屬怎么控制它？金屬在人體血管里靠超彈性自己彈開(kāi)。聚合物控制方式很多，我們可以加熱放在熱水里面，可以加磁場(chǎng)，可以光照，可以放在人體血液里面，人體血液70%是水，溫度不變，水自己可以讓它變形，就是這個(gè)材料可以變形。

裴國(guó)獻(xiàn)：骨頭那一塊你的思路特別好，采用微創(chuàng)的技術(shù)植入進(jìn)去，里面經(jīng)過(guò)體內(nèi)溫度變化可以膨脹，但是骨缺損修復(fù)一定要支撐，膨大之后。

冷勁松：承受力沒(méi)有問(wèn)題的，我們文章已經(jīng)要發(fā)表了，我們也做過(guò)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，跟金屬骨組織支架相比是沒(méi)有問(wèn)題的，同時(shí)我們這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置成多孔的結(jié)構(gòu)。

裴國(guó)獻(xiàn)：我不是挑毛病，我提一下，撐開(kāi)以后有力學(xué)強(qiáng)度不行，骨細(xì)胞長(zhǎng)進(jìn)去，核材料怎么樣，這個(gè)你們要做。進(jìn)去以后材料支撐自身細(xì)胞的生長(zhǎng)這個(gè)你們要關(guān)注。

冷勁松：您說(shuō)的對(duì)，我們的材料跟細(xì)胞兼容性、生長(zhǎng)正在做這個(gè)東西，而且現(xiàn)在我們有一個(gè)好處，這個(gè)上面可以載藥，讓藥釋放出來(lái)。

裴國(guó)獻(xiàn)：我說(shuō)什么意思，我們也在做這個(gè)方面的研究，不是你們這個(gè)方面的材料，最后細(xì)胞一定要長(zhǎng)進(jìn)去，最后長(zhǎng)的一定是自己的骨頭融合非常好，這樣將來(lái)強(qiáng)度才能形成自己的骨骼，醫(yī)學(xué)強(qiáng)度性能才能真正實(shí)現(xiàn)。

冷勁松：這個(gè)是可以降解，最后不是在人體。我們研究可以控制降解時(shí)間、降解速度，長(zhǎng)好了再降解。

韓倩倩：我覺(jué)得在變形創(chuàng)新性還是比較強(qiáng)的，我想問(wèn)這個(gè)材料主要成分是什么？


冷勁松：我們做很多種材料，像航天環(huán)氧、聚氨酯、聚乳酸我們都做，我們做了很多種不同類型的材料，這些材料多有降解功能，因?yàn)樾螤钣洃浘酆衔锊皇且环N材料是一類材料，像記憶合金是一類的材料。

韓倩倩：具體到某一個(gè)具體產(chǎn)品的話，針對(duì)這一種材料具體是什么，降解過(guò)程，降解速率、體內(nèi)和體外降解產(chǎn)物要說(shuō)清楚。

冷勁松：我們都做了，包括細(xì)胞兼容性、小鼠實(shí)驗(yàn)都做了，包括細(xì)胞生長(zhǎng)，您說(shuō)的降解速率實(shí)驗(yàn)都做了，現(xiàn)在做一點(diǎn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

韓倩倩：因?yàn)閷?duì)于產(chǎn)品來(lái)講它的安全性也是至關(guān)重要的。

冷勁松：我們現(xiàn)在已經(jīng)前期毒物性實(shí)驗(yàn)都做完了，我不是搞醫(yī)學(xué)，和別的醫(yī)院合作，現(xiàn)在找一個(gè)小鼠過(guò)來(lái)，馬上做豬的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闅夤苤Ъ芤鲐i的實(shí)驗(yàn)，后續(xù)因?yàn)楦枮I醫(yī)院合作，您說(shuō)的這個(gè)問(wèn)題非常重要，我們?cè)谇捌谶@些事都已經(jīng)做過(guò)實(shí)驗(yàn)了，要不也不敢做后面的實(shí)驗(yàn)，材料前期不解決了，后面不要去做了。

韓倩倩：剛剛您提到這是一類材料，在您的工作當(dāng)中，您覺(jué)得最能先走到一個(gè)所謂臨床階段是哪一種？

冷勁松：聚乳酸、聚氨酯、（聚己內(nèi)脂）都差不多，材料毒性沒(méi)有問(wèn)題了，力學(xué)強(qiáng)度各方面還是不太一樣，不同支架地方用的不一樣。這三種都可以了。我們集中在材料，我們可以賣材料，你買過(guò)去之后你愛(ài)打什么打什么，我們學(xué)生打過(guò)心臟、打過(guò)肺，然后變形。能做的東西很多，生物只是我們剛開(kāi)始，航天衛(wèi)星上量很大，不像個(gè)人一個(gè)一個(gè)支架來(lái)用，比如說(shuō)航天五院，100顆衛(wèi)星，一下產(chǎn)值幾個(gè)億，因?yàn)楹教靽?guó)際上只有我們能做，我們首次在高軌道衛(wèi)星用了，美國(guó)現(xiàn)在也沒(méi)有，生物醫(yī)學(xué)我們現(xiàn)在看好，我為什么做封堵器，封堵器解決一些社會(huì)問(wèn)題，支架效益是高但是也在做，因?yàn)樾『⒂靡粋€(gè)東西在里面很難受。

裴國(guó)獻(xiàn)：千萬(wàn)不要忽視醫(yī)療市場(chǎng)。你這個(gè)工作特別有價(jià)值。
冷勁松：這個(gè)需要投資機(jī)構(gòu)大量投入燒錢才行，我們學(xué)校能往這做已經(jīng)很不容易了，我們學(xué)校航天是全產(chǎn)業(yè)，從材料到力學(xué)結(jié)構(gòu)，中國(guó)高校找到我們這樣很少，醫(yī)學(xué)往前做，但是后續(xù)需要有各方面來(lái)合作做這個(gè)事。


周賽：我問(wèn)一個(gè)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，剛才看你的材料預(yù)熱導(dǎo)電磁場(chǎng)會(huì)變形，如果反過(guò)來(lái)說(shuō)遇到冷是不是變回去了。

冷勁松：第一個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在這個(gè)聚合物有兩種，一種就是我們讓它變形之后回不來(lái)了，不會(huì)回來(lái)了，加到30度變形了，你再30度它也回不來(lái)了，這種材料只能單向變回不來(lái)了。

周賽：用到醫(yī)學(xué)想象力空間很大，這一塊往下推的情況下，選擇醫(yī)學(xué)某一個(gè)領(lǐng)域深度挖掘。

冷勁松：我們也在做乳腺癌，做乳腺支架，放進(jìn)去之后可以撐開(kāi)。第一能變形，第二能可控變形，溫度降了變硬了，變剛度了可以承受力。

張希波：這個(gè)材料和技術(shù)非常好應(yīng)用到航空航天，你們?cè)瓉?lái)技術(shù)研究當(dāng)時(shí)訴求的方向，現(xiàn)在應(yīng)用在新的領(lǐng)域，今天談在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用，在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，你們想先應(yīng)用到氣管支架也好，包括骨組織支架也好，血管支架也好，你們認(rèn)為能夠快速先應(yīng)用到哪一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)在目前有沒(méi)有跟一些醫(yī)院和教學(xué)醫(yī)院有一些協(xié)同的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。原來(lái)你們可能是一體化的研究，契合度很高，現(xiàn)在把新的技術(shù)和材料應(yīng)用到新的領(lǐng)域，訴求痛點(diǎn)都有，有不同的方式方法在解決，你們迎著需求去了，是不是在可行性上，快速進(jìn)入到哪一個(gè)具體領(lǐng)域。

冷勁松：我們覺(jué)得外骨固定，相對(duì)比體內(nèi)容易一點(diǎn)，我們從外骨固定的角度快一點(diǎn)的應(yīng)用。體內(nèi)支架也能弄，但是要做很長(zhǎng)時(shí)間毒性實(shí)驗(yàn)、人體實(shí)驗(yàn)，到后續(xù)人體實(shí)驗(yàn)角度，學(xué)校只能做幾例，后續(xù)有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)來(lái)做，否則做不了這個(gè)工作。但是我認(rèn)為這個(gè)東西將來(lái)從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域講，這些東西從原理上后續(xù)都可以，因?yàn)樗翘峁┮粋€(gè)新的方向，能讓你原來(lái)的東西動(dòng)起來(lái)，這個(gè)東西我們?cè)趪?guó)際上，現(xiàn)在國(guó)外一些研究院所也在做，國(guó)外大的公司雅培也可能在做，但是沒(méi)有公開(kāi)過(guò)，所以中國(guó)這方面要快速投入的話可能有一些成果。我認(rèn)為外骨容易一點(diǎn)。

冷勁松：我們學(xué)校跟公司不一樣，我們80多個(gè)人忙不過(guò)來(lái)。你想想能做的都可以做，醫(yī)學(xué)的話需要跟一些企業(yè)、大學(xué)、醫(yī)院來(lái)廣泛合作，現(xiàn)在跟哈爾濱醫(yī)院合作，現(xiàn)在在做一些小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

曹爾寧：發(fā)展的方向，我想探討作為院校盡快想到商業(yè)化的模式，這樣才能吸引社會(huì)投資參與進(jìn)來(lái)。必須要集中精力發(fā)展出一個(gè)可以商業(yè)化的產(chǎn)品，然后再逐漸推廣。

冷勁松：謝謝您說(shuō)的非常對(duì)，航天準(zhǔn)備要先落地，我們上過(guò)天做過(guò)驗(yàn)證了，醫(yī)學(xué)我們?cè)谕霸谧觥Ｄ敲炊鄬W(xué)生不能做一個(gè)，做一個(gè)畢不了業(yè)了，一個(gè)學(xué)生只能做一個(gè)支架，別人再做就得換別的材料了，后續(xù)怎么應(yīng)用后面再研究。