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定時變形形狀記憶高分子材料實物圖。浙江大學供圖

本報訊（記者崔雪芹）浙江大學教授謝濤與趙騫團隊利用熱致相分離水凝膠構建了可按需自發(fā)變形的形狀記憶高分子，闡明了該類變形行為的機理及調(diào)控方法，并結(jié)合4D打印技術初步展現(xiàn)了該類材料用做醫(yī)療手術器件的獨特潛力。相關成果9月13日在線發(fā)表于《自然》。

2020年，日本北海道大學教授龔劍萍開發(fā)出的一類新型水凝膠進入浙江大學研究團隊的視野。他們發(fā)現(xiàn)，這類材料具有復雜的變形行為——不僅具有形狀記憶，而且“知道”什么時候要恢復記憶；回彈不僅延遲，而且是定時發(fā)生的。

經(jīng)過研究，該團隊發(fā)現(xiàn)這類材料背后有一套獨特的變形機制：材料從熱變冷時，內(nèi)部有兩股力量在“競爭”：一方是保持臨時形狀的力，一方是恢復原始形狀的力。開始時，保持臨時形狀的力占絕對優(yōu)勢，雙方的力量差會達到1000倍以上。趙騫介紹，在很長一段時間內(nèi)，材料會停留在臨時形狀，紋絲不動；而隨著時間推移，保持臨時形狀的力持續(xù)不斷下滑，材料就會出現(xiàn)肉眼可見的變形。研究顯示，在力量差為20倍時，材料會出現(xiàn)5%的變形。

研究人員通過磁共振成像對這種按需自發(fā)變形行為的內(nèi)在機理進行了深入探究，證明該現(xiàn)象受控于材料內(nèi)部的水分子擴散過程。基于機理的把握，研究人員得以利用“延時”來創(chuàng)造“定時”：操作方法非常簡單，只需調(diào)控一個參數(shù)——熱編程時間。目前能實現(xiàn)的最長“休眠期”為46分鐘。

有了這樣的調(diào)控手段，研究人員就能根據(jù)“休眠期”的長短，事先對材料的不同位置設置不同的熱編程時間，使得形變按時按需依次展開。

論文中，他們概念性地展示了4D打印制備的延時變形血管支架。該支架從進入體內(nèi)到輸送到目標部位需要一定時間，如果依賴人體溫度的觸發(fā)，普通的形狀記憶支架材料在到達目的地之前就會發(fā)生形變；而應用“休眠期”的定時變形器件，該支架能夠在到達目標位置后啟動形變。

研究團隊認為，具有定時變形效應的器件有望在生物醫(yī)學工程、深空深海探測等方面發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06520-8