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图 可按需自发变形的形状记忆高分子。a. 智能材料不同变形方式的对比。b. 4D打印延时变形器件与普通形状记忆高分子器件的植入过程对比
在国家自然科学基金项目（批准号：52033009、52273112、U20A6001）等资助下，浙江大学化工学院谢涛教授与赵骞教授团队利用热致相分离水凝胶构建了可按需自发变形的形状记忆高分子，阐明了该类变形行为的机理及调控方法，并结合4D打印技术初步展现了该类材料用做医疗手术器件的独特潜力。相关成果以“起始回复时间可编程的形状记忆高分子（Shape memory polymer with programmable recovery onset）”为题，于2023年9月13日在线发表于《自然》（Nature）杂志。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06520-8。
形状记忆高分子（SMP）可在外界环境条件变化时由预设的临时形状回复到原始形状，在医疗器件、航空航天结构以及软体机器等新兴应用中展示出独特潜力。例如，利用这种变形行为可以制造各种自展开医疗器件，达到微创植入的效果。然而在现实应用场景中，激发变形所需的加热或光照等外部刺激不宜对患者施加，成为限制其应用的最大瓶颈。另一方面，学术界近期报道的自发变形高分子材料可在无外界刺激条件下完成变形，但变形可控性差，器件展开时将卡在非目标位置，导致植入失败。在同一材料体系中同时实现“按需”与“自发”变形将克服SMP的关键应用缺陷，但就目前的认知而言这两种变形模式相互矛盾。
研究团队发现，可发生强烈热致相分离的水凝胶可将“按需”与“自发”变形有机地融合。该水凝胶在常温且外力作用下可被变形，并在高温下发生相分离从而固定该外力编程的临时形状。回到常温环境后，随着相融合的逐渐发生，水凝胶在一段时间形状保持不变（即变形潜伏期），随后再自发变形。通过临时形状变形时不同热处理时间的控制，可以有效改变变形潜伏期（可长达46分钟），从而编程调控材料自发变形的起始时间点。这种在无需额外刺激下发生的定时变形行为有效解决了“按需”与“自发”两种变形行为的矛盾。
该研究通过磁共振成像对这种“按需自发”变形行为的内在机理进行了深入探究，证明该现象受控于材料内部的水分子扩散过程，而非普通SMP的热传导。同时，研究建立了材料模量与变形动力学的关联模型，预测了模量随时间自发缓慢变化的材料均有望表现出该类行为，为材料体系的拓展奠定理论基础。进一步，研究者结合4D打印技术制备了可按需自发变形的形状记忆器件，概念性地展示了其在医学临床应用场景中可发挥的独特功能。
该研究成果来自于多学科交叉合作，论文作者来自浙江大学的多个院系。核磁共振成像表征由化学系孔学谦教授团队完成。材料变形的力学模型由航空航天学院肖锐研究员共同提出。研究的医学验证工作与浙江大学附属第二医院大肠外科李军主任团队以及眼科中心晋秀明主任团队合作完成。