变形材料可能改变可植入和可吞咽医疗设备的未来

由莱斯大学 Yong Lin Kong 领导的研究团队开发出一种柔软但坚韧的超材料，可通过远程控制迅速改变大小和形状。

这一发明发表于《科学进展 Science Advances》杂志，代表着潜在的显著进步，可能变革可吞咽和可植入医疗设备的未来。

超材料是具有天然材料通常不具备的特殊属性的人造结构。这些材料的有效行为主要不是由化学成分决定，而是由物理结构决定，即其构建块的特定形状、排列和尺度。

Kong 和莱斯大学团队设计的这种新超材料在柔软结构中实现了稳定性和可变形性的独特组合，这在以前从未实现过。这种超材料还非常坚固，能够承受超过自身重量 10 倍的压缩载荷，并且在远超生理条件的温度以及恶劣的化学环境中保持性能。

“我们通过引入梯形支撑段和加强梁等几何特征，将多稳定性（即能够在多种稳定状态之间存在的能力）编程到柔软结构中，”Kong 说。他是莱斯大学乔治 R. 布朗工程与计算学院的机械工程助理教授。“这些元素创造了能量屏障，即使在外部驱动力量移除后，也能将结构锁定在新形状中。”

超材料的柔软架构有助于解决由刚性部件制成的可植入和可吞咽设备可能引发的关键医疗安全问题，如胃溃疡、穿孔损伤和炎症。

Kong 和他的团队使用 3D 打印创建模具，形成倾斜梁和支撑段的互连微观架构。这种设计允许在打开（关闭）和关闭（打开）状态之间快速切换，即使在移除磁场后，转换后的配置也能保持。通过将许多这样的单元格作为“构建块”组合在一起，他们形成了一个 3D 结构，这不仅可以改变形状，还可以在被磁场驱动时产生复杂的蠕动运动，以控制方式移动或输送液体。

重要的是，即使在长时间暴露于机械应力和酸腐蚀后，该材料仍能可靠地工作，这些条件模拟了人体胃部的恶劣环境。

“这种超材料使得在体内远程控制设备的大小和形状成为可能。这可能实现挽救生命的能力，例如精确控制设备停留的位置、在需要的地方输送药物或在体内深处施加针对性的机械力，”Kong 说。

“我们现在正在利用这种超材料开发可能有一天用于治疗人类肥胖症或改善海洋哺乳动物健康的可吞咽系统，并且我们正在与德克萨斯医疗中心的外科医生合作设计无线流体控制系统，以满足未满足的临床需求。”

该研究的第一作者是 Kong 的第一位研究生 Taylor Greenwood，他已经毕业并在杨百翰大学开始了教职。Kong 的其他研究生 Brian Elder 和 Jared Anklam、博士后研究员 Jian Teng 和 Saebom Lee 以及 其他合作者也参与了该研究。