智能摺紙技術或將引發植入式醫療裝置的革命

10月24日，英國皇家化學會《Materials Horizons》雜誌封面報道了荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology，TU Delft）的最新研究成果：利用預先設計的3D列印二維（2D）平面結構，在外界溫度激勵下實現2D結構自發摺疊，形成複雜三維（3D）立體結構。該技術有望應用於智能醫療植入物，如骨損傷恢復。

組織工程領域的終極目標是完整再生出具備一定功能的組織器官，這對於多種疾病的治療具有革命意義。目前，組織再生領域的研究遍地開花，其中之一便是由荷蘭馬斯特里赫特大學（UMC）主導、代爾夫特理工大學（TU Delft）參與的大型研究項目：利用3D列印技術開發用於骨損傷恢復的個性化植入體。該項目於本月啟動，一旦成功，將有望促進患者骨損傷快速恢復，並極大地減少外科手術。

當然，這種3D列印智能生物材料的應用領域遠遠不止骨損傷恢復。目前，代爾夫特理工大學研究者Amir Zadpoor與萊頓大學醫學中心（LUMC）、馬斯特里赫特大學（UMC）等各大醫院密切合作，進一步開發該技術的應用潛力。

Zadpoor說：「理想情況下，生物材料既要具備特定的3D結構，其表面也要具備一定的納米級圖形化結構。3D列印技術（3D Printing）能夠提供製造複雜3D結構的方法，但是卻難以兼顧表面的結構化；納米光刻技術（Nanolithography）能夠製造複雜的納米級表面圖形化結構，然而僅僅局限於2D平面。然而，卻鮮有能夠結合兩者的方法。」

然而，Zadpoor卻從古老的日本摺紙（Origami）藝術中找到了方法。

Zadpoor說：「自然界的生物體會利用多種激發機制來控制其形狀和功能的變化。受到自然界的啟發，我們研究團隊利用特殊設計的2D平面結構，在外界刺激（如溫度變化）下自發變形，演變成複雜的3D立體形狀。」

首先，利用3D列印技術列印出預先設計的特定2D平面結構；然後，在2D平面結構上光刻出納米級圖形化結構；最後，裝飾有納米級圖形化結構的2D平面結構在特定激發條件（例如，溫度變化）下，按特定規則自發摺疊形成複雜的3D結構。

四種基本摺紙變形模式，其中紅色代表形狀記憶合金（SAM），藍色代表超彈性材料。圖片來源：DOI:10.1039/c6mh00195e

研究者利用雙層或多層形狀記憶合金（SMP）與超彈性聚合物材料，結合多種不同預先設計的排列，獲得四種基本摺紙變形模式：（a-d）分別為自捲曲（self-rolling）、自纏繞（self-twisting，也稱自螺旋）、自捲曲結合自褶皺（self-wrinkling）以及波浪狀條帶（wave-like strips）。

三種複合結構形變。圖片來源：DOI:10.1039/c6mh00195e

此外，這些基本的變形模式還可以相互結合，形成複合結構形變：（a-c）分別為仿DNA自螺旋結構、蜂巢狀結構演變、自摺疊結構。

單片自螺旋結構表面的多種微小表面圖形化結構。上圖為表面微型結構，下圖為自螺旋3D結構。圖片來源：DOI: 10.1039/c6mh00195e

此外，Zadpoor團隊在自摺疊結構表面光刻出不同類型的納米級圖形化結構。如此，隨外界刺激可變形的智能3D結構生物材料，結合材料表面的微型結構，能夠更好的模擬人體組織結構的形狀和功能，有望應用於組織再生領域。

Zadpoor說：「雖然這只是實現智能醫療植入體的第一步，但是其深遠意義卻不容小覷。」

參考：

Programmingthe shape-shifting of flat soft matter: from self-rolling/self-twistingmaterials to self-folding origami DOI:10.1039/C6MH00195E

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