功能化自修复材料

       要使得材料有自修复性质,必然需要对材料进行复合或者结构修饰,因而导致材料成本上升。在某些情况下,材料的成本很低同时又没有环境污染危害,那么将材料直接废弃反而是更好地办法。因此,必须找到自修复材料不可替代的应用。

       3D打印技术(3D Printing)是本世纪制造业领域迅速发展的一项新兴技术,被称为具有工业革命意义的制造技术。但3D 打印技术也有其自身的缺点:首先,通过3D打印材料所制备的产品,由于是一次整体成型的,而且都是独一无二的, 在自身产生微裂纹或受到外界破坏后,无法通过更换零部件的方式进行修复,只能整体废弃。这样一来,将增加产品的维护成本,并造成极大的浪费;其次,3D打印产品的尺寸受到打印机尺寸的限制,通常的3D打印机无法打印比自身更大尺寸的物件;另外,3D打印中逐层成型的过程导致所得到的物件机械力学性质各向异性,在使用过程中容易产生裂纹、变形等破损。我们将自修复技术引入到3D打印中,可有效解决这些问题。用自修复材料打印出来的产品受损之后可以快速修复,通过打印小物件然后利用自修复技术能够将小物件组装成一体化的大物件,同时打印出来的产品具有各向同性的机械力学性质(图1a)。相关材料和技术申请了中国发明专利及国际专利(中国专利授权号:ZL 2016 1 0504231.5PCT专利申请号:PCT/CN2016/087670;欧洲专利申请号:EP16906643.8;美国专利申请号:US 16/084,619;日本专利申请号:2018-543416;)。

       外固定材料是临床骨科与矫形外科常用的消耗性医用卫生材料。己有100多年历史的石膏绷带是目前临床最常用的外固定材料之一。其主要优点是对皮肤无毒副作用,强度较高,操作时水温低。然而,石膏绷带存在着许多缺陷,如:透X射线性差、透气性差、质量重等,此外,打石膏时操作复杂,给医护人员带来许多不便。我们的自修复材料在能够加热修复的同时,还具有优良的温敏性质:常温下强度非常高,类似于热固性材料;而在加热时(50-70)又具有热塑性材料的性质,可以反复加工。从而可以作为外固定材料在临床骨科与矫形外科中应用(图1b)。相比于同类材料,本项目提供的材料具有诸多优点,例如热变形温度低,制作使用方便,并且可以适应人体任何部位的形状;强度高,硬度较大且硬化后不变形;对皮肤无毒副作用;质量轻,不怕水,方便伤员行动;X射线透射率高,可随时对骨伤进行跟踪检查;断裂后可以通过加热的方式修复;容易储存,具有自降解能力,绿色环保等。相关材料和技术申请了中国发明专利及PCT专利(专利申请号:20181017686.2; PCT/CN2018/079998)。

                             

                               

图1. 自修复材料3D打印材料和医用支架材料

 

 

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