【深度】哈工大冷劲松：4D打印形状记忆聚合材料，已到猪狗以及人的实验
南极熊导读：本文深度介绍，4D打印形状记忆聚合材料，植入物，随着温度或其他因素的变化而改变形状，正在做猪狗以及人的实验，在生物医疗领域有很好的应用前景。
2018年11月27-28日，2018增材制造全球创新大赛在北京丰台举行，南极熊发现了不少非常好的3D打印项目。例如哈尔滨工业大学冷劲松团队——形状记忆聚合材料及其4D打印在生物医疗领域的应用。
下面是现场速记，南极熊希望可以很好还原其项目路演过程。
形状记忆聚合材料及其4D打印在生物医疗领域的应用
——哈尔滨工业大学冷劲松
冷劲松：
团队组成
首先介绍一下我本人和我的团队，今年刚刚当选欧洲科学院院士，欧洲科学与艺术院院士，我们团队哈工大老师7、8个人。汇报一下4D打印技术，什么是4D打印呢？咱们大赛是3D打印，3D就是打印复杂结构，4D打印完结构可以变形。
形状记忆材料
普通的结构，打印之后可以改变结构的形状，美国科学家2013年提出来，比如说穿了一个裙子，你打印的裙子跟我的裙子看着一样，我加一个电磁光热可以变形，裙子格变形不撞衫。
什么是形状记忆材料，这种材料看这个花，加热自己可以变形，放在水里可以变形，搞生物医学都知道，这是聚合物，像高分子、聚乳酸都是，但是我们的材料跟普通聚合物不一样，你给一个热，这个热有一个温度，到这个温度可以变形，跟记忆合金一样但是是高分子可以降解。
这个聚合物软硬能够变化，到了转变温度材料变形，同时低于转变温度材料是硬的，高于转变温度材料变软，材料本身模量在高低温作用下变化200倍，材料两个特点，一个变形一个变软硬。
这个材料怎么变形呢？简单放在热水里面，也可以通电变形，我们可以用光照变形，用磁场和射频变形，光电磁热溶液，在不同溶液里面变形，都可以改变形状。
我们把这个材料做成打印线，这是国际上首次，这个线是纯的，可以用热驱动、电驱动、磁驱动，这个材料跟传统的线是一样的，但是打出来的结构表面看一样，一加热就变形，在磁场变形、通电也可以变形，这个材料能够按照你的需要形状改变形状，通过电磁光热材料打印。
你看这是什么形状？认不出来，在水里面自己张开是一个金门大桥的形状。这是一个鸟巢，加热之后自己变成鸟巢了，这是我们打印打出来的。当然你可以打印一些结构自己重构，在水里面展开很多折纸的结构。
形状记忆聚合材料4D打印在生物医疗领域的应用
Web Of Science是一个数据库，聚合物我本人文章190篇，世界第一。我们主要做心脏封堵器、血管支架、骨组织支架和4D打印外骨骨组织固定。
这里讲一个骨组织植入，这个市场很大，支架大家都了解。还有先天心脏病，先天心脏病市场虽然不大，但是对人的社会意义还是很大。国内很多企业我也不介绍了。现在植入金属一个是器械加工，怎么开呢？靠金属弹性变形。我们现在做这个有一个特点，个性化打印，但是传统可降解支架包括雅培都是靠外界的力，靠气囊撑开，我们的材料自己变形，可以加电磁光热变形，同时也有降解和兼容性，跟刘总介绍一样。
有血栓了可以放一个支架在里面，放进去之后加磁场可以撑开，我们做的国际上首个支架，不光能张开，张开之后把磁场去掉了，材料变的很硬可以承载，力学性能各方面满足原来要求，跟传统金属支架力学性能做过对比。
气管支架，气管塌陷是憋的，放一个传统，我们用打印的支架，在磁场作用下，这个材料有铁磁颗粒自己形成气管支架。人体里面血液70%是水，如果慢一点在血液里自己可以变形。
骨组织缺损怎么办呢？可以打印一个定制化支架，在里面让它张开，很重要一件事张开之后可以控制6到7个月支架可以降解、打印机可以打印骨组织支架，植入到里面之后，通过小的微创手术进去之后，你加磁场可以展开，不光能展开，后续可以降解，可以定制化，定制化是很重要，因为人体血管厚薄不一样，骨组织缺损大小也不一样。
这是心脏封堵器，先天心脏病瓣膜缺损，怎么办呢？医院用的，进去一个导管把金属支架支开，金属封堵器在人体待一辈子，不光受人体各个方面影响，金属离子析出，心脏长大有影响。我们国际上有一个专利，封堵器用形状记忆合器做的，在水里面张开，控制它长好之后，6到8个月一年时间再长一点可以降解。后续可以做药物释放，有一些胶囊药可以释放出来。
这个做外骨固定，骨折打石膏，用我们这个东西放进去之后，如果关节折了之后，我们加热变暖可以来回动，等你动完之后温度一降就固定住了，你骨折加热了，这个东西变弯抠在手上，把温度撤了，把外力撤了，你把它固定住，到了医院拿吹风机吹自己可以开了。
做到什么程度呢？细胞毒性及细胞相容性已经做完了。大鼠组织相关性已经做了。现在正在做猪狗以及人的实验。
总结
4D打印形状记忆聚合物解决了医疗植入器件的个性化定制，做了血管支架、气管支架、骨组织支架、封堵器、外骨骼固定等等。我们学校原来做航天航空的，这几年刚刚开始做，未来太阳能到天上展开应该是硬的翻版，用我们的材料直接推开。
柔性电池很重要，软的在一起了，大家软的怎么去展开，到天上怎么展，没有东西怎么展，现在怎么办？用绳子和电机推开，我们把柔性电池薄膜用我们材料卷上，在地面卷了之后，把温度撤了固定住了，你需要的时候加热张开，张开之后马上变硬了，变硬可以承载，他们认为我们能解决卷曲、展开、钢化。
一个说明这个东西干什么，一卷曲，卷曲锁住了，加热自己开，不光开降了温马上变硬能承载，这个东西在2016年在卫星上应用载轨两年了，后续在活性上应用，我们这个团队原来做航空航天。我们发展了一系列聚合物材料。生物医学材料转变温度37度，跟人体温度差不多，航天航空温度200度，空间环境温度本身就高，材料变形温度要到250度，否则环境温度到170我就变形了。
把它做成打印线，我们在国内外好多研究院所已经免费使用，但是没有产权化。
我们做了气管支架完成这些实验，目前航天这方面准备要产业化，生物医学这方面还没有，希望今天跟生物医学、药监局、医生、投资机构的人来谈未来怎么应用，巧妇难做无米之炊，人工智能要有一个物质基础，我说话必须有东西，物质基础是材料和结构，结构和材料是物质基础，我们特点是材料，打印技术我们也在做，我们主要是材料和结构。
4D打印肯定是一个观点，可以想像最简单一句话现在的材料是静的，我们的材料是动的，你加一个激励就可以动。我的汇报到此结束！
专家点评
裴国献：冷教授，我觉得这个工作非常有价值，您刚才提的几个病例、用的方位我们都有体会，形状记忆合金80、90年代骨科临床做的非常多了，做的最多是长海医院张教授，你这个工作，你谈了4D打印，那么与3D打印，与传统形状记忆合金有什么不同。
冷劲松：它不是合金是聚合物，能降解是聚合物，传统心脏支架都是金属，什么是聚合物，塑料杯子就是聚合物，我们做的不是形状记忆合金，是形状记忆聚合物，聚合物本身可以降解，跟可降解材料一样，我们材料除了可降解功能求可以自己控制变形。
我们把聚合物加上纤维做成复合材料之后，控制磁场控制变形，或者加上碳纤维。4D和3D的区别，3D打印东西是打印复杂结构，4D是你打的复杂结构能变，变成你需要的形状。金属也可以变，金属不能打印，记忆合金打印不出来3D的东西，记忆金属降解非常难，我们的特点一个是聚合物可以变形，而且是大变形，记忆合金变形两8%到12%，聚合物600%，聚合物跟金属不一样可以降解，金属怎么控制它？金属在人体血管里靠超弹性自己弹开。聚合物控制方式很多，我们可以加热放在热水里面，可以加磁场，可以光照，可以放在人体血液里面，人体血液70%是水，温度不变，水自己可以让它变形，就是这个材料可以变形。
裴国献：骨头那一块你的思路特别好，采用微创的技术植入进去，里面经过体内温度变化可以膨胀，但是骨缺损修复一定要支撑，膨大之后。
冷劲松：承受力没有问题的，我们文章已经要发表了，我们也做过力学性能实验，跟金属骨组织支架相比是没有问题的，同时我们这个结构设置成多孔的结构。
裴国献：我不是挑毛病，我提一下，撑开以后有力学强度不行，骨细胞长进去，核材料怎么样，这个你们要做。进去以后材料支撑自身细胞的生长这个你们要关注。
冷劲松：您说的对，我们的材料跟细胞兼容性、生长正在做这个东西，而且现在我们有一个好处，这个上面可以载药，让药释放出来。
裴国献：我说什么意思，我们也在做这个方面的研究，不是你们这个方面的材料，最后细胞一定要长进去，最后长的一定是自己的骨头融合非常好，这样将来强度才能形成自己的骨骼，医学强度性能才能真正实现。
冷劲松：这个是可以降解，最后不是在人体。我们研究可以控制降解时间、降解速度，长好了再降解。
韩倩倩：我觉得在变形创新性还是比较强的，我想问这个材料主要成分是什么？
冷劲松：我们做很多种材料，像航天环氧、聚氨酯、聚乳酸我们都做，我们做了很多种不同类型的材料，这些材料多有降解功能，因为形状记忆聚合物不是一种材料是一类材料，像记忆合金是一类的材料。
韩倩倩：具体到某一个具体产品的话，针对这一种材料具体是什么，降解过程，降解速率、体内和体外降解产物要说清楚。
冷劲松：我们都做了，包括细胞兼容性、小鼠实验都做了，包括细胞生长，您说的降解速率实验都做了，现在做一点动物实验。
韩倩倩：因为对于产品来讲它的安全性也是至关重要的。
冷劲松：我们现在已经前期毒物性实验都做完了，我不是搞医学，和别的医院合作，现在找一个小鼠过来，马上做猪的实验，因为气管支架要做猪的实验，后续因为跟哈尔滨医院合作，您说的这个问题非常重要，我们在前期这些事都已经做过实验了，要不也不敢做后面的实验，材料前期不解决了，后面不要去做了。
韩倩倩：刚刚您提到这是一类材料，在您的工作当中，您觉得最能先走到一个所谓临床阶段是哪一种？
冷劲松：聚乳酸、聚氨酯、（聚己内脂）都差不多，材料毒性没有问题了，力学强度各方面还是不太一样，不同支架地方用的不一样。这三种都可以了。我们集中在材料，我们可以卖材料，你买过去之后你爱打什么打什么，我们学生打过心脏、打过肺，然后变形。能做的东西很多，生物只是我们刚开始，航天卫星上量很大，不像个人一个一个支架来用，比如说航天五院，100颗卫星，一下产值几个亿，因为航天国际上只有我们能做，我们首次在高轨道卫星用了，美国现在也没有，生物医学我们现在看好，我为什么做封堵器，封堵器解决一些社会问题，支架效益是高但是也在做，因为小孩用一个东西在里面很难受。
裴国献：千万不要忽视医疗市场。你这个工作特别有价值。
冷劲松：这个需要投资机构大量投入烧钱才行，我们学校能往这做已经很不容易了，我们学校航天是全产业，从材料到力学结构，中国高校找到我们这样很少，医学往前做，但是后续需要有各方面来合作做这个事。
周赛：我问一个比较简单的问题，刚才看你的材料预热导电磁场会变形，如果反过来说遇到冷是不是变回去了。
冷劲松：第一个问题现在这个聚合物有两种，一种就是我们让它变形之后回不来了，不会回来了，加到30度变形了，你再30度它也回不来了，这种材料只能单向变回不来了。
周赛：用到医学想象力空间很大，这一块往下推的情况下，选择医学某一个领域深度挖掘。
冷劲松：我们也在做乳腺癌，做乳腺支架，放进去之后可以撑开。第一能变形，第二能可控变形，温度降了变硬了，变刚度了可以承受力。
张希波：这个材料和技术非常好应用到航空航天，你们原来技术研究当时诉求的方向，现在应用在新的领域，今天谈在生物医疗方面的应用，在这个领域的应用，你们想先应用到气管支架也好，包括骨组织支架也好，血管支架也好，你们认为能够快速先应用到哪一个领域。现在目前有没有跟一些医院和教学医院有一些协同的创新实验。原来你们可能是一体化的研究，契合度很高，现在把新的技术和材料应用到新的领域，诉求痛点都有，有不同的方式方法在解决，你们迎着需求去了，是不是在可行性上，快速进入到哪一个具体领域。
冷劲松：我们觉得外骨固定，相对比体内容易一点，我们从外骨固定的角度快一点的应用。体内支架也能弄，但是要做很长时间毒性实验、人体实验，到后续人体实验角度，学校只能做几例，后续有一些机构进来做，否则做不了这个工作。但是我认为这个东西将来从医学领域讲，这些东西从原理上后续都可以，因为它是提供一个新的方向，能让你原来的东西动起来，这个东西我们在国际上，现在国外一些研究院所也在做，国外大的公司雅培也可能在做，但是没有公开过，所以中国这方面要快速投入的话可能有一些成果。我认为外骨容易一点。
冷劲松：我们学校跟公司不一样，我们80多个人忙不过来。你想想能做的都可以做，医学的话需要跟一些企业、大学、医院来广泛合作，现在跟哈尔滨医院合作，现在在做一些小动物实验。
曹尔宁：发展的方向，我想探讨作为院校尽快想到商业化的模式，这样才能吸引社会投资参与进来。必须要集中精力发展出一个可以商业化的产品，然后再逐渐推广。
冷劲松：谢谢您说的非常对，航天准备要先落地，我们上过天做过验证了，医学我们在往前在做。那么多学生不能做一个，做一个毕不了业了，一个学生只能做一个支架，别人再做就得换别的材料了，后续怎么应用后面再研究。
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