10月24日，英国皇家化学会《Materials Horizons》杂志封面报道了荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology，TU Delft）的最新研究成果：利用预先设计的3D打印二维（2D）平面结构，在外界温度激励下实现2D结构自发折叠，形成复杂三维（3D）立体结构。该技术有望应用于智能医疗植入物，如骨损伤恢复。

　　组织工程领域的终极目标是完整再生出具备一定功能的组织器官，这对于多种疾病的治疗具有革命意义。目前，组织再生领域的研究遍地开花，其中之一便是由荷兰马斯特里赫特大学（UMC）主导、代尔夫特理工大学（TU Delft）参与的大型研究项目：利用3D打印技术开发用于骨损伤恢复的个性化植入体。该项目于本月启动，一旦成功，将有望促进患者骨损伤快速恢复，并极大地减少外科手术。

　　当然，这种3D打印智能生物材料的应用领域远远不止骨损伤恢复。目前，代尔夫特理工大学研究者Amir Zadpoor与莱顿大学医学中心（LUMC）、马斯特里赫特大学（UMC）等各大医院密切合作，进一步开发该技术的应用潜力。

　　Zadpoor说：“理想情况下，生物材料既要具备特定的3D结构，其表面也要具备一定的纳米级图形化结构。3D打印技术（3D Printing）能够提供制造复杂3D结构的方法，但是却难以兼顾表面的结构化；纳米光刻技术（Nanolithography）能够制造复杂的纳米级表面图形化结构，然而仅仅局限于2D平面。然而，却鲜有能够结合两者的方法。”

　　然而，Zadpoor却从古老的日本折纸（Origami）艺术中找到了方法。

　　Zadpoor说：“自然界的生物体会利用多种激发机制来控制其形状和功能的变化。受到自然界的启发，我们研究团队利用特殊设计的2D平面结构，在外界刺激（如温度变化）下自发变形，演变成复杂的3D立体形状。”

　　首先，利用3D打印技术打印出预先设计的特定2D平面结构；然后，在2D平面结构上光刻出纳米级图形化结构；最后，装饰有纳米级图形化结构的2D平面结构在特定激发条件（例如，atv，温度变化）下，按特定规则自发折叠形成复杂的3D结构。

　　四种基本折纸变形模式，其中红色代表形状记忆合金（SAM），蓝色代表超弹性材料。图片来源：DOI:10.1039/c6mh00195e

　　研究者利用双层或多层形状记忆合金（SMP）与超弹性聚合物材料，结合多种不同预先设计的排列，获得四种基本折纸变形模式：（a-d）分别为自卷曲（self-rolling）、自缠绕（self-twisting，也称自螺旋）、自卷曲结合自褶皱（self-wrinkling）以及波浪状条带（wave-like strips）。

三种复合结构形变。图片来源：DOI:10.1039/c6mh00195e

　　此外，这些基本的变形模式还可以相互结合，形成复合结构形变：（a-c）分别为仿DNA自螺旋结构、蜂巢状结构演变、自折叠结构。

　　单片自螺旋结构表面的多种微小表面图形化结构。上图为表面微型结构，下图为自螺旋3D结构。图片来源：DOI: 10.1039/c6mh00195e

　　此外，Zadpoor团队在自折叠结构表面光刻出不同类型的纳米级图形化结构。如此，atv，随外界刺激可变形的智能3D结构生物材料，结合材料表面的微型结构，能够更好的模拟人体组织结构的形状和功能，有望应用于组织再生领域。

　　Zadpoor说：“虽然这只是实现智能医疗植入体的第一步，但是其深远意义却不容小觑。”

　　参考：

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

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