大连理工大学赵丹阳教授团队：生物可降解聚合物血管支架的3D打印研究进展 | CJME:AMF论文推荐
Weijian Hua, Weiliang Shi, Kellen Mitchell, et al. 3D Printing of Biodegradable Polymer Vascular Stents: A Review. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022. https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100020.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665722000101(戳链接，下载全文)
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研究现状
血管支架可以有效扩张病灶部位狭小的血管以恢复血液正常流动，在冠状动脉介入治疗中起到重要的作用。可降解血管支架的发展涉及到材料的设计与选择，加工方法的改进与创新，性能表征的完善等，需要交叉学科的研究与探索。3D打印技术以其加工复杂结构的能力和良好的加工柔性，在可降解塑料支架的制造领域展示出极大的潜力。
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研究难点或瓶颈
目前关于可降解塑料血管支架的综述主要集中在材料选择和支架结构设计方面。关于加工方法，尤其是3D打印技术的相关综述鲜有报道。同时，如何评价血管支架的性能及表征方式仍然亟需介绍。因此，关于血管支架制造及性能表征的综述论文对于揭示可降解支架的发展方向具有重要的指导意义。
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展望
本文重点介绍了现行及潜在的可降解塑料血管支架3D打印技术（包括挤出成型技术，光聚合成型技术，粉末熔化成型技术，材料喷涂成型技术等），打印机理，工艺特点，后处理过程等。并且全面总结了可降解塑料血管支架的表面特征，机械性能，生物性能方面的技术要求及测量方法。本文同时指出可降解塑料血管支架的未来发展方向将集中在以下几个方面：1）设计及优化支架结构以保证血管支架同时具备优秀的动态径向支撑性及轴向柔顺性；2）研发新的3D打印方法以加工复杂的血管支架结构；3）进一步完善血管支架性能的表征手段以精准预测其机械性能和生物性能的动态变化过程。
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代表性图片
图1 生物可降解聚合物血管支架3D打印的未来发展方向
团队带头人介绍
团队研究方向
1）软组织/器官结构设计与细胞3D打印技术
面向复杂异质器官体外高效精准制造的需求，围绕“体外生物组织/器官宏-微结构设计与优化理论以及挤出式打印生物墨水流变与交联耦合辅助成形理论”这一关键科学问题，开展基于复杂软组织/器官结构优化设计方法以及模具辅助生物3D细胞打印技术研究。提出了一种基于医疗影像全局信息和局部信息共同驱动的混合水平集模型，进行了组织/器官分割；开发了生物软组织/器官形性协同的组织结构优化设计新方法；提出基于模型边界信息的水凝胶3D打印路径规划方法，有效提高了软组织/器官的生物3D打印精度；提出了模具辅助主动脉瓣膜生物3D打印技术，制备具有一定单向阀功能的主动脉瓣膜结构。
图2 主动脉模型仿真分析与优化设计
2）仿生功能表面设计与制造技术
面向航空航天、船舶舰船等工程减阻领域仿生微结构高精度、低成本、大面积制备的需求，系统研究了仿生鲨鱼皮微沟槽减阻机理和仿生减阻功能表面高精度高性能热压成型技术研究。分别开展了生物约束成形、UV-LIGA、高速微铣削、钢丝缠绕等技术制造仿生减阻功能表面复制模具，在此基础上，进行了聚合物仿生鲨鱼皮减阻表面复制工艺研究，获得了具有较佳减阻效果的仿生鲨鱼皮薄膜。研究成果对于发展非光滑表面仿生减阻理论及复制技术具有重要的科学意义和实际价值。
图3 仿生鲨鱼皮微热压成型研究
3）聚合物微挤出成型理论与模具技术
面向医用介入导管、新型微结构光纤等精密制造领域中高品质聚合物微挤出成型制品的需求，围绕着“聚合物熔体微挤出过程流变特性复杂性以及传统宏观尺度流变模型局限性”的科学问题，开展了粘性耗散测试新方法以及挤出胀大机理研究，建立了描述微管挤出跨尺度流动和粘弹性回复耦合作用下的聚合物熔体跨尺度粘弹性模型与壁面滑移模型，获得了微尺度效应下微挤出模具流变学设计关键技术，并提出聚合物多腔微管模具预补偿设计方法，同时设计制造了单腔、双腔和五腔微管挤出模具，成型出单腔和多腔微管，并且研制了国内首套微管可视化微挤出实验装置。
图4 聚合物微挤出成型技术
4）碳纤维复合材料注射成型过程中纤维状态演化机理
面向航空航天、国防军工等重大装备制造领域中高端产品轻量化制造的需求，围绕着“剪切流作用下纤维增强树脂基复合材料熔融机理及其对纤维断裂的影响规律”、“塑化过程中纤维断裂机理及工艺条件对其控制规律”、“注射成型过程中纤维分散性状态演化机理及时变规律”三个关键科学问题，开展了注射成型机螺杆沟槽内纤维增强树脂基复合材料熔融机理及其与纤维断裂的内在关联机制、注射成型机螺杆压缩比及止逆环形状等对塑化过程中纤维长度影响机理及控制规律、纤维分散性定义方法及动态评价方法与纤维分散性时序变化规律等基础理论与工艺技术的研究，为该材料在承重、抗压、高精密等高端零/构件轻量化制造中的广泛应用提供新的途径。
图5 注射成型机料筒内动态可视化分析
5）生物可降解金属血管支架结构设计
面向心脑血管疾病介入医学的发展需求，围绕可降解血管支架力学性能与药物缓释关键科学问题，开展了可降解高端心脑血管支架力学性能与结构优化设计研究。提出了一种腐蚀函数概念成功解释了金属材料的非均匀腐蚀现象，基于连续损伤力学方法建立了微观尺度下的较为精准的多维非均匀腐蚀模型。建立可降解镁合金血管支架降解数值计算模型，揭示降解过程中支架力学性能演化机理；建立考虑材料内禀尺寸的可降解聚合物材料 Cosserat 连续介质体胞模型，研究了聚合物可降解血管支架在材料降解和结构耦合作用下的力学性能变化规律；建立载药可降解血管支架药物缓释数学模型，揭示了降解过程中血管支架的药物缓释机理；发展适应于载药可降解血管支架的结构优化设计算法，优化血管支架结构及载药参数，改善载药可降解血管支架服役过程的力学性能与药物缓释性能。
图6 纤维增强树脂基复合材料内纤维分散性动态评价
近年团队发表文章
[1] Weiliang Shi, Hongxia Li, Kellen Mitchell, Cheng Zhang, Tingzhun Zhu, Yifei Jin, Danyang Zhao, A multi-dimensional non-uniform corrosion model for bioabsorbable metallic vascular stents[J]. Acta Biomaterialia, 2021, 131(2021): 572-580.
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[18] Sai Ma, Xiaobin Wu, Shigeru Owada, Hidetoshi Yokoi, Visualization analysis of defibration and distributive uniformity of fibers in long-fiber-reinforced, injection-molded resins[J]. Polymers, 2020, 12(3): 727-743.
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编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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