室間隔缺損（VSD）是由于胚胎發(fā)育不全導致的左右心室間的異常缺口，允許富氧血液從左心室通過缺口流向右心室，并與右心室中的脫氧血液混合，可能導致心律失常、心室功能障礙和肺動脈高壓。經(jīng)皮封堵室間隔缺損（VSD）可有效阻斷心室間的異常血流。然而，常用的鎳鈦合金封堵器存在不可忽略的局限性，例如不可降解性導致晚期移位和危及生命的栓塞；鎳離子析出引起的過敏；設(shè)備型號有限增加磨損、穿孔風險；只有少數(shù)不透射線標記點導致定位不準確。因此，開發(fā)可生物降解且整體不透射線封堵器對減少并發(fā)癥和提高封堵性能具有重要意義。
哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士團隊前期針對新型心臟封堵器開展了系列工作，包括Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 12668-12678; Acta Biomater., 2021, 128, 100-119。近日，冷勁松院士團隊開發(fā)了4D打印定制、可生物降解、整體不透射線的仿生VSD封堵器，以避免傳統(tǒng)封堵器可能引起的移位、晚期栓塞、定位不準等問題。工作以“4D printing of overall radiopaque customized bionic occlusion devices”為題發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上。論文的第一作者哈爾濱工業(yè)大學助理教授林程，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士和劉立武教授為共同通訊作者。
基于與生物組織應(yīng)力應(yīng)變行為相似的波浪形仿生結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制備了多種VSD封堵器構(gòu)型（對稱、細腰大盤、偏心和肌部），以適應(yīng)VSD的位置多樣性、減少對周圍組織的影響。4D打印被引入到封堵器的制備中，可以賦予封堵器定制的構(gòu)型，且有助于封堵器微創(chuàng)植入和自適應(yīng)展開。系統(tǒng)評估了4D打印仿生封堵器的力學性能、生物降解性和生物相容性。研究了4D打印仿生VSD封堵器的動態(tài)可重構(gòu)性能，驗證了微創(chuàng)治療和可控展開的可行性。更重要的是，4D打印VSD封堵器實現(xiàn)了在X射線下的整體顯影，在X射線下不僅可以觀察到封堵器的整體構(gòu)型，甚至可以清楚地辨別封堵器的每條韌帶。此工作中4D打印VSD封堵器的制備策略是可規(guī)模化的，為快速制造定制的智能醫(yī)療設(shè)備開辟了誘人的前景。
圖1（a）正常心臟和（b）患有VSD心臟的血液流動
圖2 定制、可生物降解和整體不透射線的4D打印仿生VSD封堵器的設(shè)計、制造與表征
圖3（a）仿生波浪形網(wǎng)絡(luò)和代表單元的幾何參數(shù)。（b）VSD的分類和位置。（c）設(shè)計的VSD封堵器的3D模型。（d）偏心VSD封堵器（Ee VSDO）和肌部VSD封堵器（m-VSDO）封堵VSD示意圖。
圖4（a）不同構(gòu)型4D打印仿生VSD封堵器實物圖。（b）帶有阻流膜的封堵器的輕量性展示。
圖5 不同構(gòu)型VSD封堵器在X射線下的整體顯影能力。
冷勁松院士團隊長期從事于智能結(jié)構(gòu)力學及其應(yīng)用研究。在生物領(lǐng)域，開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體(Biomaterials, 2022, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Adv. Healthc. Mater. 2022, 202201999; Research, 2022, 9825656; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 12668-12678; Compos. Struct., 2022. 279, 114729; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 578-588; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571)。在超材料領(lǐng)域，設(shè)計制備了構(gòu)型、力學性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的4D打印拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Matter, 2023, 6, 1-23; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。
