近日,由 Fraunhofer 应用聚合物研究所 IAP 与 NMI 自然与医学科学研究所牵头开展的 PolyKARD 项目联合研制出一种基于致密聚合物薄膜的仿生组织替代材料,兼具可精准调控的力学性能与生物功能,该材料适用于多种医用植入体的研发,于本周在德国汉诺威工业博览会上正式展出,展位位于 Fraunhofer 展区 11 号馆 D33 展台。
功能型植入器械的核心材料要求
Fraunhofer 在发布声明中表示,功能型植入器械的研发对材料性能提出严苛标准:材料需同时具备优异的力学耐受能力与生物相容性。
该研究所指出:“心包等天然生物组织具备复杂的本征性能,传统高分子材料仅能实现有限程度的仿生复刻。尤其是材料的非线性应力–应变特性 —— 初始状态柔韧,随载荷增加刚度显著提升 —— 仍是生物医用材料研发领域的核心技术瓶颈。”
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该材料采用三层复合结构:聚氨酯丙烯酸酯薄膜、3D 打印波浪形超结构以及静电纺丝胶原层,可精准模拟天然组织的力学特性与生物性能。
坐落于波茨坦科学园的Fraunhofer IAP与NMI联合开发出多层级复合结构,实现了定制化力学性能与生物功能的协同集成。该结构以致密聚氨酯丙烯酸酯聚合物薄膜为基底,通过 3D 打印成型波浪形超结构,该结构化层是决定组织替代材料整体力学行为的关键组分。随后,研究人员在其表面复合由NMI自主研发工艺制备的静电纺丝胶原层,赋予材料优异的生物功能。团队采用专用酶学检测与无创光谱分析技术,对胶原纤维的质量进行全程精准质控。
力学性能与天然组织高度匹配
Fraunhofer IAP 的Hadi Bakhshi 博士表示:“拉伸测试结果表明,该材料的应变特性与强度行为均与天然心包组织高度吻合。材料受拉伸时,波浪结构延展使其保持柔性;仅在应变达到较高水平时,刚度才会急剧提升。”Bakhshi 博士与Wolfdietrich Meyer 博士共同完成了该材料及结构设计专用打印技术的开发。
Meyer 博士表示:“通过结构设计与生物材料的理性复配,我们实现了与天然组织高度接近的力学性能。”
为生物杂化植入器械开辟全新技术路径
NMI 开展的细胞毒性测试证实,该材料对细胞无不良影响。此外,针对人体皮肤成纤维细胞与上皮细胞的体外研究表明,纤维网络的三维微观形貌为细胞黏附与增殖提供了理想微环境。
NMI 表示,该类材料及其生物功能可实现定向设计与模块化复合,进而构建高性能仿生材料,为生物杂化植入器械的研发开辟全新方向。
NMI 与 Fraunhofer 已就该款组织替代材料联合申请专利。
应用场景覆盖人工血管、皮肤移植等领域
两家研究机构强调,该仿生组织替代材料并非局限于单一应用场景,其设计理念可拓展至人工血管、支架移植物、人工皮肤及其他医用植入产品。材料兼具力学适配性与生物功能的特性,可有效提升植入器械的耐用性与临床使用性能。Fraunhofer 与 NMI 诚邀产业合作伙伴,将该材料应用于具体产品开发并实现市场化落地。
PolyKARD 项目由德国联邦研究、技术与航天部资助。