一种4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架及其制备方法

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哈尔滨工业大学冷劲松教授等人公开了涉及一种4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架及其制备方法。该发明针对传统气管支架植入困难，以及气管支架因孔径过大造成的二次狭窄和支架孔径过小造成的气道纤毛摆动受阻的问题，以形状记忆聚合物和纳米四氧化三铁的复合物为材料，以曲边矩形为基本单元设计气管支架三维结构模型，采用熔融沉积或直写打印方法将气管支架三维结构打印成型，经静电纺丝载药覆膜后，通过体外远程激励使支架发生形状回复，得到成型后的气管支架。该发明适用于气管支架的生产。

研究背景：

在医学领域气管支架被用来保持气道通畅，是作为治疗气道狭窄、维持气道正常功能的有效治疗技术，现临床采用的气管支架多为形状记忆合金支架，但因为合金材料与人体的生物相容性较差，会引起诸多相关并发症。支架孔径过大时会因细胞组织增生造成气管的二次狭窄，当支架孔径较小时会影响气管纤毛的摆动影响气道的清洁功能且影响细胞代谢的正常进行。

发明内容：

针对传统气管支架植入困难，以及气管支架因孔径过大造成的二次狭窄和支架孔径过小造成的气道纤毛摆动受阻的问题，该发明提供了一种4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架及其制备方法，通过控制覆膜孔径达到理想孔径，实现了在手术前通过赋型的方法将支架尺寸缩小，减小植入时对患者造成的痛苦，支架到达患处时，通过体外远程激励使支架形状发生回复，起到支撑气管的医学治疗目的，覆膜上的药物可以更好的到达患处，减轻患者的相应症状。复合材料支架在体内可以降解，减少了因支架长期存在体内引发并发症的几率，避免了二次手术取出支架的风险。

图1 覆膜后的4D打印气管支架(圆心角120°、孔径5×10mm)，1-内部支撑骨架，2-外部包裹的覆膜

图2 覆膜在电子显微镜下的结构示意图

图3 静电纺丝覆膜过程示意图，7-喷丝头，8-4D打印支架

图4 4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架在磁场中的形状回复过程示意图

图5 4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架在红外灯下的形状回复过程

有益效果：

(1)该发明气管支架所用材料为形状记忆聚合物具有形状记忆效应，形状记忆聚合物具有良好的生物相容性，植入人体后可减少免疫排斥反应等一系列并发症。植入前可通过赋形将支架直径缩小，到达患处后通过体外远程激励使气管支架形状发生回复，达到医学治疗目的，有效减轻了气管支架植入体内时对患者造成的痛苦。形状记忆聚合物还具有良好的生物可降解性，植入后一定时间内可以降解，减小了气管支架长期存在于体内引发并发症的机率，避免了二次手术取出气管支架的风险。

(2)形状记忆聚合物能够感应外界环境变化(温度、力、电磁等)的刺激，改变自身状态参数(形状、位置等)，完成形状回复过程回复至预先设定的初始形态。该发明形状记忆气管支架通过在形状记忆聚合物中复合纳米四氧化三铁粉末，使气管支架具备体外远程驱动条件，使支架可在磁场和红外灯的照射下完成形状回复，驱动简便，降低风险；纳米四氧化三铁粉末可以在核磁共振下显影，便于对植入支架进行追踪。

(3)4D打印技术，即用形状记忆聚合物为材料以3D打印技术为成型方法打印构件，该发明使用熔融沉积或直写打印制造技术完成4D打印形状记忆聚合物复合材料气管支架的打印成型。该发明所述的打印成型的方法赋予了气管支架复杂的三维结构，易于进行结构的修改，可实现根据不同患者的不同情况进行结构的调整和修改，在治疗方面更具有针对性。

(4)以高速旋转的4D打印的内部支撑支架为接收装置可以保证支架外部覆膜的完整性和连续性，可以保证覆膜随支架发生变形时不易造成脱落现象。静电纺丝技术可以很好的控制气管支架的孔径，将覆膜后的支架孔径控制在500微米左右。500微米的孔径既可以避免因肉芽细胞组织增生造成的气管二次狭窄，同时也可以保证细胞的正常物质交换和气道纤毛的正常摆动，有助于维持清洁的气道环境，不易引发咳嗽和感染等症状。

(5)支架进行静电纺丝覆膜时采用的纺丝液为形状记忆聚合物和药物的混合液。与支架材料相同的形状记忆聚合物可以使覆膜更好的随支架发生形变。覆膜上载有的消炎类药物可以减轻因支架植入引起的炎症反应，兴奋气道纤毛类药物可以减轻因支架植入造成的气道纤毛摆动受损，保证气道环境的清洁。镇咳类药物可以随支架更好的到达患处，提升药效。

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