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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變形的形狀記憶高分子，闡明了該類變形行為的機理及調控方法，并結合4D打印技術初步展現了該類材料用做醫療手術器件的獨特潛力。相關成果9月13日在線發表于《自然》。

2020年，日本北海道大學教授龔劍萍開發出的一類新型水凝膠進入浙江大學研究團隊的視野。他們發現，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，而且是定時發生的。

經過研究，該團隊發現這類材料背后有一套獨特的變形機制：材料從熱變冷時，內部有兩股力量在“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，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不斷下滑，材料就會出現肉眼可見的變形。研究顯示，在力量差為20倍時，材料會出現5%的變形。

研究人員通過磁共振成像對這種按需自發變形行為的內在機理進行了深入探究，證明該現象受控于材料內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”來創造“定時”：操作方法非常簡單，只需調控一個參數——熱編程時間。目前能實現的最長“休眠期”為46分鐘。

有了這樣的調控手段，研究人員就能根據“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，普通的形狀記憶支架材料在到達目的地之前就會發生形變；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學工程、深空深海探測等方面發揮獨特的優勢。

相關論文信息：

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