《Acta Biomaterialia》：4D Printing of a Multi-Transitioning Shape Memory Polymer with a Recovery Onset towards Precision Endovascular Embolization
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本研究开发了基于数字光4D打印的PGDA-PUA-PAA形状记忆聚合物，利用体温（20℃）和湿度（40℃）实现双重可控形变，在体内外血管模型中成功完成精准栓塞。材料通过自组装相分离结构保持弹性，并首次实现程序化延迟回复 onset，为微创血管栓塞提供了新型生物相容材料。
阿里雷扎·马朱布尼亚（Alireza Mahjoubnia）|蔡敦鹏（Dunpeng Cai）|索尼娅·诺鲁齐·埃斯法哈尼（Sonia Norouzi Esfahany）|吴宇超（Yuchao Wu）|赵文（Wen Zhao）|玛琳达·贾亚蒂拉凯（Malinda Jayathilake）|张汉文（Hanwen Zhang）|万彩霞（Caixia Wan）|陈世友（Shi-You Chen）|林健（Jian Lin）
机械与航空航天工程系
摘要
形状记忆聚合物（SMPs）在血管内栓塞中的实际应用往往受到其对外部触发因素依赖性的限制，而这些外部触发因素在血管环境中难以实现。为了解决这一问题，我们引入了一种数字光4D打印技术，该技术利用自然发生的生理刺激（体温和水分）来引发形状变化。这种名为PGDA-PUA-PAA的SMP由聚十二烷酸甘油酸酯（PGDA）寡聚物、10-十一烯酸（UA）和丙烯酸（AA）单体组成，并通过光交联形成。它具有两个转变温度，分别约为20°C和40°C，从而实现两种不同的、可编程的形状变化：一种在常温条件下，另一种在生理条件下。重要的是，它在第二次转变时表现出可控的形状恢复。在37°C的水合环境中，通过控制墨水成分和交联密度可以编程形状恢复的起始时间。在恢复过程中，SMP会吸水以触发第二次转变，恢复到原始形状。完全水合后，材料会转变为水凝胶，体积膨胀约22倍（第三次形状变化）。通过空间时间傅里叶变换红外（FTIR）光谱成像显示，水凝胶的弹性是由水诱导的自组装相域所保持的。借助高分辨率数字光4D打印技术，PGDA-PUA-PAA形状记忆聚合物实现了多转变形状变化、强大的机械强度和细胞相容性，在体外血管模型和体内股动脉栓塞实验中均表现出优异的阻塞效果。这些结果展示了一类新的生理触发型、导管可释放材料，有望实现微创和精确的血管内应用。
重要性声明
精确的血管阻塞仍然是血管内栓塞中的一个主要挑战，现有的金属和聚合物栓塞装置通常存在适应性差、部署控制不佳以及阻塞不完全的风险。在这里，我们介绍了一种四维（4D）打印的生理触发型形状记忆聚合物（SMP），它结合了双重转变温度和可编程的恢复起始时间，能够在体温和水合条件下实现可控激活。与传统热触发型SMP不同，这种材料在导管输送过程中保持稳定，并且仅在生理条件下恢复，确保了靶向部署。水合后，它会转变为一种坚韧且具有高弹性（体积膨胀超过20倍）的水凝胶，从而实现紧密的血管填充和持续的阻塞效果。这项工作证明了一种导管可释放、对水合响应的4D打印栓塞材料平台，并通过体外研究和体内概念验证模型证明了其可行性。
引言
血管内栓塞是一种微创技术，用于阻塞异常或受损的血管，例如动脉瘤、动静脉畸形和出血[1,2]。尽管金属线圈是临床标准，但其刚性和有限的适应性常常导致填充密度不足、阻塞不完全以及再通或需要再次治疗的风险增加[3,4]。临床数据显示，低填充密度（VPD < 25%）和线圈包裹率不足（FCP < 32%）会显著增加复发风险[5]。虽然基于聚合物和液体的栓塞材料具有更好的流动性，但它们存在聚集、炎症反应、非目标栓塞以及有机溶剂引起的细胞毒性等问题[6],[7],[8]。因此，仍然迫切需要一种生物相容性高、可控性强且适应性好、能够通过微创导管输送实现持久阻塞的栓塞材料。
刺激响应型形状记忆聚合物（SMPs）[9]已成为从软体机器人[10,11]到医疗设备[12]等领域的创新材料，其特点是能够在水分、热量或光线等刺激下改变形状[13,14]。它们特别适用于从预定的临时形状转变为永久形状。根据形状恢复机制的不同，SMPs可以分为几类。如图1a-A所示，A型SMPs可根据需求通过外部刺激激活[15],[16],[17],[18]。虽然这种按需响应性具有优势，但对外部触发因素的依赖限制了其在血管内栓塞中的应用，因为在这种应用中需要通过导管进行精确控制并在受限的血管环境中激活[12]。在这种情况下，热、光或磁刺激的获取受到很大限制，使得这些SMPs在临床上的使用不切实际。另一种激活方式是依靠自然触发因素（图1a-B），例如体温，但这往往导致在到达目标位置之前就发生过早的形状变化。在栓塞过程中，这种过早的形状恢复可能导致线圈提前释放或在血管内错位，从而增加手术风险。与外部触发相比，这种即时反应与可以在所需位置主动激活的外部触发方式形成对比[19]。虽然已经采用了一些缓解策略，如水诱导[20]或SMPs的生物降解[21]，但这些机制通常导致变化缓慢或控制不佳，无法满足栓塞过程中的快速和精确要求。相比之下，调节超分子相互作用可以更好地控制形状变化[16,22]。然而，这些材料在输送到目标位置时往往会发生不可控的、不希望的形状变化。因此，开发一种能够在血管条件下通过导管输送并进行位置特异性、可控激活的生理响应型SMP仍然是血管内栓塞应用中的一个重大挑战。
已经报道了几种刺激响应型聚合物栓塞系统，但每种系统在恢复控制、部署机制或临床性能方面都存在关键限制。Wong等人开发了一种水触发的PLGA基栓塞系统，但其膨胀程度小且对复杂血管几何结构的适应性差[23]。Zhang等人报道了一种热触发型水凝胶线圈，其在室温附近能快速恢复，但没有可编程的起始时间和对部署时间的精确控制[24]。最近，Wang等人使用预制模具而非直接打印方法制备了一种热驱动的4D有机凝胶线圈，但其填充密度有限，适应性较差[25]。这些研究共同表明，目前仍需要一种能够整合可控恢复起始时间、高适应性和导管兼容性部署的栓塞材料。在这方面，Ni等人最近开发了一种自然触发型SMP，具有可编程的恢复起始时间（C型），在25°C时延迟数分钟才开始恢复（图1a-C）[26]。通过调整设备编程过程中的相分离，可以编程这种延迟，提供了一种独特的形状变化控制机制。这种自然触发型SMP具有可定制的恢复起始时间，显著减少了与设备实施相关的问题。尽管它引入了一个创新概念，但在实际应用于血管内栓塞时，仍可能面临时间和变形精确控制方面的限制。在这种情况下，具有多个形状转变的SMP将具有显著优势。当温度高于第一个转变温度（Ttrans1）时，材料可以伸长并保持灵活性，便于通过迂曲或狭窄的血管。当温度低于第二个转变温度（Ttrans2）时，其高弹性使其能够在导管内稳定定位和操作。一旦在目标位置释放，在高于Ttrans2的生理温度下，材料会转变为永久形状，使栓塞装置（如线圈）能够紧密贴合血管几何结构，实现紧密填充和有效阻塞，从而最小化再通或移位的风险[27]。此外，对于栓塞和其他血管应用，材料必须具有生物相容性，并具备良好的栓塞性能。因此，一种结合多个形状转变、可调恢复起始时间、在水合环境中的机械韧性[28]以及细胞相容性的SMP——同时适合高分辨率4D打印——将是对导管可释放栓塞系统的重大进步。
3D打印与多转变形状记忆行为的结合带来了超越其他4D打印系统的优势[19,30]。在这里，我们展示了PGDA-PUA-PAA的数字光4D打印技术，这种SMP具有由PUA和PGDA段分别引起的两个结晶温度（Ttrans1和Ttrans2）。这两个温度使材料具有两次形状转变。非共价的PUA段具有亲水性，可以在水合作用下与疏水性的PGDA/PUA段形成自组装相分离。水向PGDA-PUA-PAA中的扩散是由热力学驱动的。在达到降低的Ttran2平衡之前，第二种临时形状得以保持，其形状恢复过程如图1a-D所示。在起始时间之后，材料在持续水合的情况下恢复到原始打印形状。完全水合后，材料转变为水凝胶，体积膨胀显著。这种转变导致了第三种形状[27]。有趣的是，该材料保持了高弹性，这与许多吸水后变脆的SMP不同。这可能是由于水诱导的二级链间氢键和自组装相分离所致。这一假设通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱成像得到了验证。利用这些特性，我们4D打印了一种用于血管内栓塞的PGDA-PUA-PAA微线圈，在体外血管流动模型和体内股动脉研究中成功展示了其导管基础上的部署和完全阻塞效果（图1b）。
材料
4-二甲氨基吡啶（DMAP，99%）、甘油（>99.5%）、十二烷二酸（DDA，99%）、三乙胺（TEA，>99%）、二氯甲烷（>99.8%）和丙烯酰氯（>97%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。乙酸乙酯（99.5%）、二苯（2,4,6-三甲基苯甲酰）膦氧化物（TPO，>98%）和丙烯酸（AA，98%）购自Fisher Scientific（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）。10-十一烯酸（UA，98%）购自TCI。4-甲氧基苯酚（99%）购自...
1H核磁共振（1H NMR）测试
为了计算丙烯酰化程度，使用了质子核磁共振（1H NMR）技术。数据在室温下使用Bruker Avance III 500 MHz光谱仪记录，以四甲基硅烷（TMS）和氯仿-d作为内标和溶剂，分别在7.27 ppm处进行测量。化学位移以ppm为单位报告。
凝胶渗透色谱（GPC）
使用Agilent 1200系列高性能凝胶渗透色谱仪测定了PGD-12和PGD-24寡聚物的分子量。
具有可编程恢复起始时间的多转变自然触发型SMP的4D打印
聚十二烷酸甘油酸酯（PGDA）[39]寡聚物的合成过程及其可变分子量和丙烯酰化程度在补充说明1中有详细描述。详细的合成条件和所得材料总结在表1中。随着反应时间从12小时延长到24小时，PGD寡聚物的分子量（Mn/Mw）增加。丙烯酰化程度是根据1H NMR光谱中的特征峰计算得出的（补充图1a-b）
结论
多转变PGDA-PUA-PAA的开发标志着SMP研究的重要进展。这种创新的SMP具有两个转变温度，分别约为20°C（Ttrans1）和40°C（Ttrans2），能够利用自然发生的刺激（体温和水合）实现两种不同的、可编程的形状变化。这种材料的一个关键特点是...
数据获取
支持本研究结果的数据可向相应作者索取。具体数据集的负责人见“作者贡献”部分。
作者贡献
J.L.构思了该项目并监督了研究进展。A.M.设计了材料系统、微创装置并进行了实验。他还收集和分析了数据。D.C.进行了动物实验，A.M.在其指导下收集和分析了相关数据。S.N.E.参与了材料合成和表征。Y.W.提出了材料设计。W.Z.进行了体外细胞研究。M.J.参与了FTIR图像数据处理。S.C.监督了W.Z.
CRediT作者贡献声明
阿里雷扎·马朱布尼亚（Alireza Mahjoubnia）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、项目管理、方法学、研究、数据管理、概念化。蔡敦鹏（Dunpeng Cai）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法学、研究、数据管理。索尼娅·诺鲁齐·埃斯法哈尼（Sonia Norouzi Esfahany）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理。吴宇超（Yuchao Wu）：方法学。赵文（Wen Zhao）：撰写——审阅与编辑...
