第一作者：Yuchao Wu

通讯作者：Jian Lin

通讯单位：University of Missouri

原文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202405296

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精准、可调的流体控制在多种生物医学应用中具有重要意义，例如青光眼眼压调节、靶向药物输送以及血管流量管理。然而，目前临床使用的流量调控装置（如引流管、分流器及机械阀）大多依赖被动结构，术后难以调节，一旦出现过度或不足引流，往往需要二次手术干预，显著增加患者风险。针对上述问题，本研究提出并构建了一种兼具生物相容性、磁响应性与形状记忆功能的硅胶复合材料，用于制备可远程、非接触调控的主动流量控制阀。该复合材料由医用级硅胶基体、磁性NdFeB微粒以及形状记忆组分poly(glycerol-dodecanoate)（PGD）微粒组成。其中，PGD赋予材料可编程的形状记忆行为，而NdFeB微粒使材料能够在外加磁场与交变电磁场作用下实现加热与形变。通过交变磁场诱导局部升温使材料软化，并结合外加磁场实现形状重构，复合材料可在体外远程完成多次形状重编程。基于该材料构建的阀结构，其弯曲角度可精确调控，从而实现对流体阻力与流量的连续调节。实验结果表明，该阀在水、藻酸钠凝胶及微流控系统中均展现出稳定、可预测的流量调控性能，并在体外血管模型中验证了其调节的可行性。本研究为构建可远程操控、可重复编程的植入式流量调控器件提供了一种新的材料设计思路，在眼科、血管及药物输送等领域具有重要应用潜力。

背景介绍

在生物医学系统中，流体的精确调控直接影响治疗效果与安全性。例如青光眼治疗中，房水引流速率的微小偏差即可导致低眼压或视神经损伤；血管介入治疗中，不可控的血流变化可能引发血栓或组织缺血。目前临床中广泛使用的流量控制装置多为被动式结构，其几何形态在植入后难以改变。当患者术后生理环境发生变化时，现有器件往往无法动态响应，只能通过再次手术进行修正。这不仅增加了感染风险，也严重限制了治疗的个性化和长期有效性。近年来，刺激响应材料（如水凝胶、形状记忆聚合物等）被用于构建可调控器件，但仍普遍存在以下问题：水凝胶易吸水膨胀，长期稳定性不足；部分形状记忆材料生物相容性有限；多数体系需要直接接触或复杂控制方式，难以实现体内远程调节。相比之下，医用硅胶因其优异的生物相容性、化学稳定性及抗生物污染能力，已被广泛应用于导管、引流管及植入式器件。然而，传统硅胶本身不具备主动响应能力，难以实现动态调控。因此，如何在保持硅胶生物安全性的前提下，引入可远程控制的主动功能，成为当前亟需解决的关键科学问题。

研究出发点

1）引入具有可调相变温度的形状记忆聚合物PGD，使硅胶材料具备在接近生理温度条件下的可编程形状记忆能力。

2）利用NdFeB磁性微粒的磁响应与电磁感应加热特性，实现材料在非接触条件下的软化与形变调控。

3）构建一种可通过外部磁场实现“加热—变形—固定—恢复”的远程形状重编程机制。

4）基于该复合材料设计主动流量控制阀，并系统评估其在液体环境、微流控系统及体外血管模型中的流量调节性能。

图文解析

图形状记忆硅胶复合材料的结构设计与工作机理

该复合体系由硅胶基体、PGD形状记忆微粒以及NdFeB磁性微粒构成。其中，PGD作为相变单元，在升温至其转变温度以上时由固态转变为液态状态，使材料具有形状以及功能；而NdFeB微粒则同时承担两种关键功能：一方面在外加磁场梯度作用下产生磁力矩，实现材料的主动形变；另一方面在交变电磁场作用下通过磁滞损耗与涡流损耗实现局部加热。通过“磁加热—熔化—磁驱动—冷却固化”的协同机制，材料可在完全非接触条件下实现可逆、可重复的形状重编程。

图2. PGD含量对材料性能的影响

差示扫描量热（DSC）结果表明，通过调控PGD的后固化时间，其转变温度可在42-50°C范围内调节，使其既能避免在体温（37°C）下发生意外形变，又可在安全温度区间内完成形状重编程。进一步比较不同PGD含量对材料性能的影响发现，低含量PGD难以实现稳定的形状固定，而当PGD含量达到15 wt.%时，复合材料的形状固定率可稳定超过90%，同时仍保持较高的断裂应变和弹性。此外，长期浸泡实验表明，该材料在水和PBS中几乎不发生吸水膨胀与质量损失，显示出优异的长期结构稳定性，这对于植入材料尤为关键。

图复合薄膜在不同磁场条件下的弯曲行为

不同厚度的复合薄膜在吸引或排斥磁场梯度作用下均可产生可控弯曲，其弯曲角度与磁场强度呈良好相关性。尤其在薄膜尺度降低至100mm时，材料仍能保持稳定的磁响应能力，表明其具备小尺度器件应用潜力。通过施加交变电磁场，材料可在约42°C条件下完成软化，随后在外磁场作用下重构形状，并在冷却后实现形状锁定。红外热成像结果清晰记录了整个非接触编程过程，验证了该系统在加热和编程上的可控性。

图流量控制阀在液体与微流控系统中的性能

通过改变材料的弯曲角度，阀门的有效开启面积可连续调节，从而实现对流体阻力与流量的精细控制。在水和高黏度藻酸钠凝胶中，阀门均表现出稳定的调控能力。结合计算流体力学模拟结果可以看出，随着阀门开启面积的减小，局部流速和上游压力显著增加，实验数据与模拟结果高度一致，表明该系统具备良好的可预测性与工程可靠性。此外，在微流控系统中，阀门可承受超过100 kPa的压力，满足多种生物医学流体系统的需求。

总结与展望

本研究提出并验证了一种磁响应形状记忆硅胶复合材料体系，成功将形状记忆行为、磁远程驱动与生物相容性三者集成于同一材料平台中，并首次将其系统性地应用于可远程调控的主动流量控制阀。在科学层面上，本工作构建了一种全新的“磁加热—磁驱动—形状锁定”协同机制，为传统惰性硅胶材料引入了可编程与可重构能力，突破了硅胶长期以来只能作为被动结构材料的功能局限。这一材料设计策略为多功能医用弹性体的构建提供了新的研究范式。在工程与应用层面上，该研究为解决植入式流量调控器件术后不可调节这一长期存在的临床难题提供了潜在解决方案。通过非接触式外部磁场刺激即可实现器件形态与功能的二次调节，有望显著降低二次手术风险，提高治疗的安全性与个体化水平。此外，该材料体系具有良好的可拓展性，可通过调控磁性组分、形状记忆组分及器件结构形式，进一步应用于眼科引流装置、血管介入器件、微流控调节系统及靶向药物输送平台等多个方向。整体而言，本研究为构建下一代可远程操控、可重复编程的植入式智能医疗器件奠定了重要基础，具有显著的学术影响力和广阔的临床应用前景。

课题组介绍

林见教授课题组主页：http://www.lin-research-lab.com/

原文信息

Yuchao Wu, Cheng Qiu, Congshan Mao, Wen Zhao, Alireza Mahjoubnia, Sonia Norouzi Esfahany, Aaron Webel, Shi-You Chen, Yue Jin, Jian Lin, A Biocompatible, Magnetic-Responsive Shape Memory Silicone Composite for Active Flow Controlling Valve.Adv. Healthcare Mater. 2025, 2405296.