具有極端力學(xué)行為的水凝膠3D打印設(shè)計(jì)與制造

傳統(tǒng)的人造復(fù)合材料都是通過(guò)高溫?zé)Y(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，耗能高且適用范圍有限；而大自然的復(fù)合材料（如骨骼、貝類等）都是在較為溫和的濕潤(rùn)環(huán)境下，通過(guò)生物酶的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)多尺度等級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，其力學(xué)行為遠(yuǎn)高于各類合成復(fù)合材料。南科大劉吉團(tuán)隊(duì)結(jié)合水凝膠3D打印和酶誘導(dǎo)生物礦化制備具有極端力學(xué)行為的功能材料，實(shí)現(xiàn)3D打印軟質(zhì)水凝膠材料（模量為125 kPa）到硬質(zhì)復(fù)合復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變（150 MPa）。

該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一系列具有剪切變稀和應(yīng)力屈服的載酶水凝膠墨水，實(shí)現(xiàn)各類精細(xì)水凝膠結(jié)構(gòu)的3D打印制造；同時(shí)，在堿性磷酸酶（ALP）的誘導(dǎo)下甘油磷酸鈣（CaGP）水解，在水凝膠內(nèi)部沉積磷酸鈣納米顆粒，最終獲得礦物質(zhì)含量達(dá)50%的復(fù)合材料，楊氏模量高達(dá)150 MPa（圖1，視頻1）。

圖1. 具有極端力學(xué)行為的復(fù)合水凝膠的3D打印和酶催化礦化。

結(jié)合嵌入式打印，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了各類自支撐結(jié)構(gòu)的單一墨水/多種墨水的3D打印制造（圖2，視頻2），擺脫了重力的影響和層層堆積方式的制約。然而，傳統(tǒng)嵌入式3D打印水凝膠得到自支撐結(jié)構(gòu)在支撐材料移除后，結(jié)構(gòu)迅速坍塌；但在本研究中，通過(guò)在支撐材料（PEO-PPO-PEO水凝膠）中加入CaGP，促進(jìn)3D打印結(jié)構(gòu)的原位礦化，首次實(shí)現(xiàn)在支撐材料移除的情況下，依舊能獲得穩(wěn)定的三維自支撐結(jié)構(gòu)。

圖2. 利用嵌入式3D打印和酶誘導(dǎo)的生物礦化來(lái)制造空間自支撐結(jié)構(gòu)。

視頻2. 嵌入式打印三維結(jié)構(gòu)過(guò)程。 大自然中很多動(dòng)物軀殼都具有軟/硬組分周期性排列的鑲嵌式幾何結(jié)構(gòu)(tessellated structure)，構(gòu)建生物體的特殊安全保護(hù)機(jī)制，以應(yīng)對(duì)外界的壓縮和拉伸負(fù)荷。受啟發(fā)于這類結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)多材料3D打印，實(shí)現(xiàn)堿性磷酸酶的選擇性分布，進(jìn)而獲得具有區(qū)域選擇性礦化的鑲嵌式幾何結(jié)構(gòu)材料（圖3）。這類結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出傳統(tǒng)均質(zhì)結(jié)構(gòu)所不具備的力學(xué)行為，比如拉伸-壓縮不對(duì)稱性：拉伸過(guò)程中軟質(zhì)組分提供小應(yīng)力下的大形變，而在壓縮過(guò)程中硬質(zhì)材料承受更大的負(fù)載（壓縮應(yīng)力/拉伸應(yīng)力> 100），為各類仿生結(jié)構(gòu)超材料的制備提供了新的可能。

圖3. 動(dòng)物軀殼中的周期性結(jié)構(gòu)，多材料3D打印技術(shù)制造的鑲嵌結(jié)構(gòu)及拉伸壓縮不對(duì)稱性力學(xué)行為。

南方科技大學(xué)碩士生陳廣大和梁翔禹博士為該論文共同第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省普通高校人體增強(qiáng)與康復(fù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省自然科學(xué)基金-區(qū)域聯(lián)合基金項(xiàng)目（青年基金）、深圳市優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（博士啟動(dòng)）、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)卓越博士后項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。

審核編輯 ：李倩