現(xiàn)代電子游戲與奇幻小說里常常出現(xiàn)一種虛構(gòu)生物，果凍狀、半透明的身體是它的顯著特征。除此之外，它還可以變換形狀，進行分裂或融合。這種生物就是史萊姆。那么，在現(xiàn)實世界中是否有和它類似的事物呢？它可以發(fā)揮怎樣的作用呢？答案是肯定的?，F(xiàn)實世界的水凝膠可以說是幻想世界的史萊姆，它性質(zhì)柔軟，能保持一定的形狀，可吸收大量的水，在工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。 

　　血管支架“可變形” 

　　眾所周知，冠脈支架植入術(shù)已是治療冠心病最有效的方法之一。而血管支架的材質(zhì)也在不斷迭代。近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（下稱中科院蘭州化物所）王齊華研究員團隊，設(shè)計開發(fā)了一種具有雙重刺激響應(yīng)性的海藻酸鈉水凝膠材料，并成功實現(xiàn)4D打印。該支架在溫和條件下可雙響應(yīng)變形變剛度，為血管支架提供了一種新的思路和途徑。 

　　據(jù)悉，海藻酸鈉水凝膠材料在外界環(huán)境刺激下，能夠改變形狀或性能，從而彌補了金屬支架易造成血管壁損傷等不足。“我們受到含羞草這一植物的啟發(fā)，聯(lián)想到了生物相容性好、可設(shè)計性強的海藻酸鈉水凝膠材料。”王齊華向記者介紹，水凝膠材料較多應(yīng)用在藥物緩釋、生物膠水方面，材料本身的性能即可輕松解決。然而，讓它變成有一定的力學(xué)支撐性能的血管支架，就需要下一番功夫。 

　　于是，團隊在溶液濃度及交聯(lián)結(jié)構(gòu)方面進行了創(chuàng)新，提高了凝膠強度，使材料保持打印形狀，再通過大量調(diào)試，得到了合適的3D打印墨水。在此過程中，團隊形成了一系列創(chuàng)新技術(shù)，提交了“一種用于3D打印的水凝膠材料及制備方法和應(yīng)用、外界刺激雙響應(yīng)海藻酸鈉的制備方法”“一種聚己內(nèi)酯/海藻酸鈉復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用”等多件專利申請。 

　　材料打印完成了，但水凝膠管狀立體結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸粘結(jié)，難以完整取下。這是團隊面臨的又一個難題。大家紛紛做實驗想辦法，最終還是從自然現(xiàn)象中得到了啟發(fā)?！拔覀兟?lián)想到荷葉疏水的簡單原理，嘗試在轉(zhuǎn)軸表面添加了一層疏水涂層，完美地解決了難以脫模的問題?！蓖觚R華介紹，團隊還進一步改進了打印速率，成功地打印出具有固定形狀的血管支架。 

　　“我們在刺激-響應(yīng)性材料，特別是形狀記憶聚合物方面，開展了10余年的研究，積累了許多開發(fā)新材料和表征性能方面的經(jīng)驗。近兩年，我們還與蘭州大學(xué)第二醫(yī)院進行密切的合作，在生物相容性方面開展了大量的工作?！蓖觚R華告訴記者，下一步，團隊將繼續(xù)改進打印方法，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提升水凝膠材料強度，拓寬材料的研究范圍，針對體內(nèi)植入醫(yī)療器材等方面進行更加完善的專利布局。 

　　組織器官“可仿真” 

　　現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)中，組織器官模型是用于模擬人體結(jié)構(gòu)形態(tài)和生理環(huán)境的體外生物醫(yī)用器械，目前已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于術(shù)前訓(xùn)練、醫(yī)療教學(xué)、輔助診斷以及新型醫(yī)療器械的開發(fā)測試。近日，中科院蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室王曉龍研究員團隊，成功制備了血管網(wǎng)絡(luò)、肺、肝、胃、腸、膀胱等生物器官結(jié)構(gòu)的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。 

　　“相比于傳統(tǒng)的塑料、樹脂或者硅膠類模型，水凝膠基的仿真人體器官模型在真實地模擬組織器官的生理環(huán)境和界面物質(zhì)交換方面，具有顯著的優(yōu)勢?！蓖鯐札埍硎?，有些組織器官是具有大跨度中空結(jié)構(gòu)的薄壁腔室，難以直接通過3D打印構(gòu)建。為此，團隊提出利用3D打印熱可逆水凝膠模板輔助構(gòu)筑仿真濕滑水凝膠器官模型的新策略。 

　　 據(jù)悉，要實現(xiàn)熱可逆水凝膠模板的打印，就需要利用熱場輔助的墨水直書寫打印技術(shù)，其中，水凝膠墨水的流變學(xué)性能是關(guān)鍵。王曉龍介紹，在制備仿真濕滑水凝膠組織器官的過程中，團隊首先解決了3D打印熱可逆水凝膠墨水這一難題。團隊淘汰了傳統(tǒng)的模具澆筑制備水凝膠的策略后，提交了“一種熱可逆水凝膠的制備方法”等發(fā)明專利申請，制備了具有合適打印窗口的熱可逆水凝膠墨水，進而實現(xiàn)熱脫除水凝膠模板的高精度制造。 

　　此外，如何在3D打印水凝膠模板上，制備均勻的薄壁水凝膠層是團隊面臨的又一難題。基于此，團隊提交了“一種中空水凝膠及其制備方法和應(yīng)用”等發(fā)明專利申請，將3D打印熱脫除水凝膠模板和超分子化學(xué)組裝物理交聯(lián)水凝膠相結(jié)合，實現(xiàn)了水凝膠殼層的可控均勻構(gòu)筑，制備出中空水凝膠。在此基礎(chǔ)上，團隊通過層層組裝方式，調(diào)控其力學(xué)性能和模擬組織的梯度結(jié)構(gòu)，形成了各種復(fù)雜的仿真濕滑水凝膠組織器官模型。 

　　“我們主要圍繞高性能聚合物3D打印和仿生摩擦學(xué)開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究，已進行了多種高性能聚合物和柔彈性材料的高精度光固化3D打印制造，并在航空航天、電子電器、汽車和高端裝備等復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件及組件制造上有所突破。”王曉龍告訴記者，目前，團隊制備的血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等仿真水凝膠器官模型，還缺乏一些細(xì)節(jié)特征。未來，團隊將進一步開發(fā)光固化3D打印水凝膠以及組織器官模型，利用光固化3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形方面的優(yōu)勢，進一步提升模型的仿真度以及與生物體天然組織器官的匹配度。在研究工作中形成的發(fā)展新技術(shù)、新材料、新方法，團隊會加快自主知識產(chǎn)權(quán)布局，實現(xiàn)仿真濕滑水凝膠組織器官模型的應(yīng)用轉(zhuǎn)化。（劉弘一）