科学家开发出能自我折叠的3D打印医疗植入物

3D生物打印器官和人体组织植入物是奇妙的，但它只是一个更加广阔的领域——组织再生的一部分，这是当今医学研究最受人关注的前沿阵地，其目标是使受损的组织、器官和骨骼再次生长。近日，来自荷兰Maastricht大学和代尔夫特理工（TU Delft）大学的一支研究团队在实现骨再生的道路上获得了一个非常重要的突破，他们成功地3D打印出了一种带有自我折叠属性的智能植入物，该植入物可促进骨细胞的再生。

目前该研究已经发表在了《Materials Horizons》杂志的封面上，论文标题为《Programming the shape-shifting of flat soft matter: from self-rolling/self-twisting materials to self-folding origam》，作者是S. Janbaz、R. Hedayati和A. A. Zadpoor。他们披露，这项突破可以用于当下使用的各种医疗植入物当中。

据Amir Zadpoor博士解释说，完全再生的功能性组织是组织工程的圣杯，可以使当前许多疑难病症的治疗彻底改观。但是有效的再生方法需要能够促进细胞生长的多功能生物材料，而这正是此Maastrict大学和TU Delft联合项目研究的重点。“在理想情况下，对于生物材料的优化应当不仅包括其3D结构，而且还要包括其表面的纳米结构。”他解释道。

由于对象表面的限制，3D打印技术原本并不是研究人员们的首要选择。“3D打印技术使我们能够创建十分复杂的3D结构，但是由于其本身的特点，但对于在对象表面上的构建能力是非常有限的。纳米光刻技术可以生成非常复杂的表面纳米结构，但是一般仅限于平坦的表面。”Zadpoor 说。“没有任何方式能够将任意复杂的3D结构与任意复杂的表面纳米结构结合起来。”

而为了实现他们的智能植入物研究的突破，科学家们从古老的折纸艺术当中获得了灵感。因为完全平坦的表面很适合3D打印，Zadpoor通过编程，设定这些3D打印的材料在暴露于一定温度条件下时开始折叠成特定的结构。

也就是说，科学家们先在平坦的表面3D打印出复杂的纳米结构，然后在特定条件下（比如暴露于人体的高温状态时）将2D表面折叠成预先设定好的3D结构。“自然使用各种激活机制来对活生物体的功能和形状编排出复杂的变换。受到类似自然现象的启发，我们的团队先开发出一种平面（2D）的可编程材料，这种材料在受到某种刺激（比如温度变化）时可以自我转化成一个复杂的3D几何形状。”Zadpoor 解释道。

具体来说，科学家们使用双层和多层的形状记忆聚合物和超弹性聚合3D打印出这些可变换形状的对象。借助四种不同的形状转换模式（自我滚动、自我扭曲，以及复合自我滚动和自我扭曲），它们可以调整自己以适应在人体内的任意位置和支持蜂窝材料的发展。这些模式可以被集成进2D结构，然后被激活以获得能自我扭曲的类似于DNA的结构、能自组织的纤维等等。

尽管这项技术目前还不能用于临床测试，但已经是朝着能够促进细胞再生的3D打印生物植入物的方向上迈出的重要一步。