4D打印形状记忆聚合物复合材料本构理论及其气管支架结构优化设计

Shape memory polymer (SMP) that is a class of novel smart materials can memorize the temporary shape and return to the original shape exposing upon external stimuli. The feature of smart deformation makes SMP with a broad application in biomedical field. In order to solve the problem of the traditional tracheal stent, this project intends to combine the advantages of the stimuli responsive polymers with additive manufacturing, realizing the smart materials and personalized/complex structures of 4D programmable active deformation over time. The project consists of following parts: Investigating on preparation and mechanical performance of 4D printed high-performance shape memory polylactic acid composites, forming the matching manufacture technology for SMP composites; Analysis of shape memory properties and controllable actuation behaviors of high-performance composite materials using external field stimulation; 4D printing of personalized tracheal stent and investigating the actuation behavior of printed structure under alternating magnetic field, verification of the programmable active deformation function of the 4D printed structure.

作为一种新型智能材料，形状记忆聚合物具有记忆临时形状并在外界激励条件下回复到初始形状的特点，这种智能变形特性使得形状记忆聚合物在生物医疗领域应用广泛。本项目针对传统气管支架存在的问题，结合激励响应聚合物及增材制造技术的优势，实现新型智能材料及其个性化、复杂结构的可编程一体化成型。研制基于熔融沉积增材制造技术的高性能、多功能形状记忆聚乳酸复合材料，形成与之匹配的打印工艺；建立打印形状记忆复合材料及其结构的热力学理论模型，通过数值模拟对所打印复合材料及结构进行参数优化；打印个性化气管支架，在交变磁场的激励下，验证打印气管支架智能变形行为。

作为一种新型智能材料，形状记忆聚合物具有记忆暂时形状并在外界激励条件下回复到初始形状的特点，这种智能变形特性使得形状记忆聚合物在生物医疗领域应用广泛。本项目针对传统气管支架存在的问题，结合激励响应聚合物及4D打印技术的优势，实现新型智能材料及其个性化、复杂结构的可编程一体化成型。主要研究内容包括：研制了基于熔融沉积增材制造技术的高性能、多功能形状记忆PLA/Fe3O4复合材料，形成了与之匹配的打印工艺；建立了形状记忆PLA/Fe3O4复合材料及其结构的热力学理论模型，通过数值模拟对所打印复合材料及结构进行参数优化；4D打印个性化伤生气管支架，在27.5kHz交变磁场的激励下，实现了4D打印气管支架智能变形，且回复时间在60s内。4D打印形状记忆聚合物材料在生物医疗植入器件方面具有重要作用， 4D打印气管支架，可用于治疗气管狭窄狭窄等疾病，当支架到达气管狭窄处时，通过调整外磁场的强度使支架展开，支架直径变大从而撑起狭窄的气管，使病人可以呼吸顺畅。这种磁驱动复合材料以及4D打印技术在生物医疗领域具有很大的潜力，这项技术不仅实现医疗器械的智能远程操控，也为微创手术提供了新的可能，在人体植入器件智能化和个性化定制中有巨大的应用前景，对生物医疗领域的进一步发展也具有重要意义。..