论文标题：Development of 4D-Printed Arterial Stents Utilizing Bioinspired Architected Auxetic Materials

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/10/2/78

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

3D打印与拉胀材料的融合正为自适应结构开辟新纪元。拉胀材料以其独特的力学性能 (如负泊松比) 著称，可集成到3D打印物体中，使其以受控方式变形，从而构建4D打印结构。自4D打印首次提出以来，科学界对其在从太空探索的可展开结构到形状自适应生物医学植入物等广泛应用中的潜力兴趣激增。

在此背景下，本文旨在利用由生物相容且可生物降解的聚合物材料制成的仿生拉胀材料，开发4D打印动脉支架。具体而言，实验研究了三种不同拉胀材料在不同相对密度下，通过拉伸和压缩测试以确定其力学行为。基于实验数据，建立了非线性超弹性有限元材料模型，模拟支架插入导管及在主动脉中的部署过程。结果表明，在三种结构中，“方形模式3”结构在强度方面表现最佳，同时具备必要的可压缩性 (直径减小)，以便插入用于支架手术的典型导管中。

1. 从金属到可吸收，再到4D自变形

传统的动脉支架，大多是金属制成的永久植入物。虽然能有效撑开狭窄的血管，但也存在一些弊端：它们会永远留在体内，可能引发慢性炎症，对于儿童或年轻患者来说，血管的生长更是限制了金属支架的应用。

可生物降解支架应运而生，这类支架多由聚合物材料制备，可在完成血管支撑功能后，于人体内部逐步降解吸收。目前该类支架的植入部署仍主要依赖球囊扩张技术，手术操作过程中易对血管壁造成机械损伤，存在一定应用局限性。随着技术发展，研究人员将形状记忆聚合物与3D打印技术结合，推动支架制备进入4D打印阶段。4D打印在三维结构基础上新增时间维度，打印构件可在体温、外力等特定刺激下，发生预设的程序化形态变化。基于该特性，4D打印血管支架可预先压缩为微小体积，通过导管输送至血管病灶处，在人体体温刺激下完成形状恢复，自主扩张并支撑血管，能够有效简化手术操作，减少血管损伤。

2. 仿生拉胀材料优化支架

这项研究的核心创新，在于使用了仿生拉胀材料。普通材料被拉伸时会变细，压缩时会变粗。而拉胀材料则恰恰相反——拉伸时反而会横向膨胀。这种独特的“负泊松比”特性，赋予了支架两大优势：(1) 极强的变形能力：支架可以被压缩到很小直径 (从20毫米到6毫米)，轻松通过细小的导管，实现微创植入；

(2) 更好的贴合性：当支架在血管内展开时，它会均匀地向四周扩张，更紧密地贴合不规则的动脉壁，降低移位的风险。

研究人员设计了三种不同的拉胀微观结构 (内凹六边形RE、方形模式SM3、六边形模式HM3) 如图所示，并用聚己内酯这种FDA批准的生物相容性材料，通过熔丝制造3D打印出来。

图1. 三种拉胀微观结构 (RE、SM3、HM3) 三维模型

3. 实验揭秘

为了找到最适合做动脉支架的结构，研究团队对三种结构进行了测试：

力学测试：打印出不同密度的试样，进行拉伸和压缩。结果发现，“SM3”结构在刚度和强度上表现最好，弹性模量最高可达19MPa。

有限元仿真：利用实验数据建立计算机模型，模拟支架被压缩进导管 (直径减少70%) 和释放展开的全过程。

所有三种结构都能被成功压缩至6毫米直径而不损坏。但“SM3”结构脱颖而出：它在承受压缩时，内部应力分布最均匀，能承受的最大应力高达18MPa，远超另外两种结构。这说明它既能变形，又能撑住血管。

相比之下，RE和HM3结构虽然也能变形，但强度较弱，可能无法长期抵抗动脉壁的回缩压力。

4. 意义与展望

这种新型4D打印拉胀支架，为未来的血管介入治疗描绘了一幅令人激动的蓝图：其具有完全可吸收；

无需球囊扩张；高度个性化等优势。当然，这项技术距离大规模临床应用还有一段路要走。后续研究还需验证其在真实心跳脉动下的耐久性、对血流动力学的影响，以及长期降解过程中的性能变化。

原文出自 Biomimetics 期刊

Kladovasilakis, N.; Kyriakidis, I.F.; Tzimtzimis, E.K.; Pechlivani, E.M.; Tsongas, K.; Tzetzis, D. Development of 4D-Printed Arterial Stents Utilizing Bioinspired Architected Auxetic Materials. Biomimetics 2025, 10, 78.

期刊介绍

主编: Prof. Dr. Stanislav N. Gorb, University of Kiel, Germany

Biomimetics (ISSN 2313-7673) 是一个国际型开放获取英文学术期刊，致力于发表仿生学与仿生技术领域的最新研究成果。期刊内容从生物体的基本机制出发，深入探讨生物特性在人类应用领域中的转化与应用。本刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术以及生物医学领域的研究人员搭建高水平的交流平台，鼓励通过生物启发式设计解决复杂问题，推动工程技术与生物医学领域的可持续创新。期刊已被Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed, PMC, Ei Compendex, CAPlus / SciFinder等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.2

2025 CiteScore: 6.2

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