具有增强机械性能的仿生3D打印质料的最新进展

地球上有许多生物系统经历了数千年的进化来完善其结构，每个系统都极大地利用了差别的情况。别的，生物结构通�？梢匝菽鸪赡承┯牍π喙氐哪Ｐ�。然而，自然模型中庞大的微结构结构凌驾了古板制造要领的制造能力。这种限制阻碍了对仿生设计的进一步研究和应用探索。增材制造 (AM) 或 3D打印工艺的泛起提升了设计自由度，同时具有质料浪费最小化、可大规模定制、几何结构庞大、快速原型制作以及制造庞大微/细观结构的能力，彻底改变了现代制造模式。

仿生结构的规模涉及植物、动物和昆虫, 其庞大结构可以通过 3D 打印技术予以实现 (图 1）。例如，龙虾爪中的Bouligand结构会通过增加裂纹扩展的难度来有效提高质料的韧性和抗攻击性。轻木结构中的排列纤维可提高强度，进而提高抗风能力。天然珍珠层中的实体结构通过裂纹偏转和能量耗散提高了抗攻击性。

图 1.示意图显示了仿生结构。(A)龙虾爪的布氏结构 ( Yang et al., 2017 )；(B)轻木中的排列纤维；(C)天然珍珠层中的实体结构（Tran 等人，2017 年）。

武汉大学人民医院骨科、圣地亚哥州立大学机械工程系、南加州大学维特比工程学院莫克家族化学工程与质料科学系和凯克医学院罗斯基眼科研究所等单位的研究团队，关于具有增强性能，尤其是机械性能提升的仿生3D打印质料的最新进展进行了研究，相关结果以题目为“Rapid Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties” 宣布在质料前沿期刊《Frontiers in Materials》。本期谷.专栏将结合这篇论文, 洞悉简单质料、多质料3D打印仿生结构的生长。

论文链接：
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2021.518886/full

?简单质料

业界对使用简单质料的仿生结构3D打印技术进行了广泛的研究。质料可以是差别类型的聚合物、金属、陶瓷等。使用 3D 打印的仿生结构在增强简单质料的机械性能方面发挥着重要作用。

1. 蜂窝结构

六角蜂窝的仿生结构已应用于多个工程相关领域。使用聚乳酸 (PLA) 作为简单原质料，通过熔融沉积成型 (FDM) 制造厚蜂窝结构，该工艺通过使用加热的打印喷嘴直接挤出质料来完成（图 2A）。

使用与蜂窝类似的要领，制造并在压缩下测试标称直径为 12.7 毫米和标称长度为 25.4 毫米的散装圆柱体（100% 填充）。丈量的块状质料的弹性模量和屈服应力划分为 1.962 ± 0.069 GPa 和 56.204 ± 1.213 MPa。与细胞壁的轴向刚度相比，细胞壁的抗弯刚度急剧上升，直到抵达临界值。结果可用于预测和优化种种蜂窝的机械性能，如图（2B）。

该研究标明，单位体积的弹性模量、抗压强度和能量吸收从低密度 L-EH 样品的 71.77、2.16 MPa、341 KJ/m?增加到高密度的 L-FH-1 样品的496.97、5.96 MPa 、 2132 KJ/m? ( Yan et al., 2020 )。

图 2. 3D 打印仿生增强结构。(A) 3D 打印厚蜂窝的机械性能 ( Hedayati et al., 2016 )；(B)蜂窝状结构和差别层厚的面内压缩应力-应变曲线( Yan et al., 2020 )；(C)使用刚性聚合物的石鳖鳞片启发式柔性装甲（Connors 等人，2019 年）；(D)具有通过选择性激光熔化 (SLM) 制造的甲虫启发金属晶格结构 ( Du et al., 2020 )。

2. 壳启发的结构

Martini等人从鱼鳞中获得灵感来制造灵活的盔甲。他们使用3D打印要领在聚氨酯膜上构建差别的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 结构。他们构建了仿鱼鳞结构，结果标明，简化的弹性体结构的平均穿刺阻力最大（13N），但其弯曲柔度较低。与伶仃的鳞片相比，仿生鳞片阵列的抗穿刺性提高了 16 倍。但弯曲顺应性下降了 20 倍。这一结果标明，3D 打印仿生结构的标准相互作用（如天然鱼鳞）显著增加了抗穿刺性并降低了弯曲顺应性。

通过使用弹性模量为 2GPa 的 3D 打印聚合物质料，研究了受到石鳖鳞片启发的柔性装甲，以准确模拟自然结构。3D 打印结构显示出良好的柔韧性和�；ば�，可以很好地附着在人体上，并展示了作为军事或运动盔甲的潜在应用（图 2C）。关于使用金属的仿生结构的 3D 打印，使用了AlSi 10 Mg 粉末质料，以通过选择性激光熔化 (SLM) 技术模拟甲虫壳结构。研究了差别激光功率对显微组织和力学性能的影响。最高F最大值(2.95 kN) 与最大位移值 (1.18 mm) 在样品中抵达 375 W。随着激光功率进一步增加到 450 W，累积位移急剧下降。3D打印结构（低密度为270 kg/m 3）显示出12 MPa的高抗压强度，远高于铝合金，可与钛合金媲美（图2D）。

?多质料

目前3D打印可以构建多质料或复合系统。在受自然结构启发的单个组件中，硬度、耐腐化性和情况适应性等特性可以在最需要的区域进行优化。这些新技术可以生产出性能优异的多功效组件，这是古板单质料3D打印无法实现的。

1.Bouligand结构质料

Bouligand 型结构是一种特定的分层排列结构，可以在坚持少量质量的同时实现精彩的机械性能。研究发明制造这种结构的一个挑战是在制造历程中难以对齐基体中的增强相。应对这一挑战的一个解决计划是应用特另外场来通辅助3D 打印实现形状变革的各向异性。为了使用 3D 打印重新创立这种奇特的加固结构，需要应用几个特另外外部场。结果显示机械性能获得改善，10 度时的最大极限强度为 57 MPa，15 度时的韧性为 1.4 N/mm 2（图 3A）。

图 3.示意图说明了 Bouligand 微结构的 3D 打印研究，(A)为拉伸试验设计的平行扫描路径 ( Zimmermann et al., 2013 ; Sun et al., 2020 ); (B)与铸造控制盘的 MOR 相比，具有差别俯仰角和填充百分比的 Bouligand 架构的断裂模量 (MOR) 与相对密度的关系 ( Moini et al., 2018 )；(C)螺旋结构示意图 ( Zaheri et al., 2018 )；(D)具有 Bouligand 型 MWCNT-S 的仿生结构的电辅助 3D 打�。╕ang 等人，2017 年）；(五)Bouligand 结构的磁性 3D 打印以及差别比例或嵌入微结构的组件的攻击强度比较 ( Ren et al., 2018 )。

例如，通过施加外部电场来控制树脂基质中碳纳米管 (CNT) 的排列，以制造 Bouligand 型排列的外貌功效化 MWCNT-S（图3D）。将磁场应用于仿生结构质料的 3D 打印制造历程，以实现仿螳螂虾的“人字形”螺旋结构和巨骨舌鱼的 Bouligand 结构（图 3E）。虽然金属涂层和聚合物的界面结合特性较差，但可以通过使用硅烷偶联处理来改善。

2.挤压轻木结构

轻木的结构是自然界的多孔质料之一，具有精彩的强度重量比和刚度重量比，以及精彩的能量吸收�？灯斩俚热酥票噶送ü� 3D打印生产的轻木仿生结构（图 4A）。Malek等人制造了一种受轻木启发的轻质蜂窝结构，该结构具有纤维增强复合质料细胞壁并爆发优异的机械性能（图 4B）。打印质料的纵向杨氏模量可达57 GPa（凌驾木质细胞壁质料的纵向模量）。另一种仿生纤维素质料是类真菌粘合剂质料（FLAM）。受真菌卵菌壁的启发，Sanandiya 等人发明了一种使用甲壳素作为基质、纤维素纤维和木地板作为增强质料来制造复合质料的新要领。这种要领创立的 FLAM 具有坚固、轻便和节省本钱的优点（图 4C）。除了场辅助 3D 打印来制造超质料，Jordan 等人发明了一种旋转 3D 打印要领，该要领允许在树脂基体中对短纤维进行空间控制排列，同时调解打印速度和喷嘴旋转速度来生产短碳纤维-环氧树脂复合质料（图 4D）。与不旋转打印的样品相比，通过旋转可以生产具有更高负载、更高断裂前刚度和更好能量吸收效率的质料。

图 4.示意图说明了轻木中排列的纤维结构。(A)具有对齐的SiC /C 纤维的 3D 打印三角形蜂窝复合质料的光学图像（康普顿和刘易斯，2014 年）；(B)模拟受轻木启发的多孔复合质料的多标准要领示意图。差别的颜色代表在细胞结构水平上具有差别纤维取向的八层（Malek et al., 2017）；(C)类真菌质料的超分子组织 ( Sanandiya et al., 2018 )；(D)示意图显示了通过旋转喷嘴旋转 3D 打印以获得螺旋图案时的纤维取向（Raney 等人，2018 年）。

3.珍珠层结构

珍珠层的结构是自然界中最常见的仿生设计，这种结构可以用作体育用品、航空航天和其他相关领域的轻质、坚固的防护罩。特兰等人还提出了一种制造受珍珠层启发的基于 Voronoi 的复合结构的 3D 打印要领（图 5B），这使得制造种种潜在应用的轻质和坚固结构成为可能。Yang等人提出了一种通过 3D 打印的方法来制造受珍珠层启发的多功效设备的新要领（图 5C）。进一步开发了具有奇特性能的多质料珍珠层启发设计，并将它们组装成一层以模仿珍珠层的结构，然后进行 3D 打印以进行攻击测试（图 5D）。

图 5.示意图说明了珍珠层的微观结构。(A)受珍珠层启发的结构的 3D 打印，由有限元 (FE) 模型引导 ( Gu et al., 2016 )；(B)鲍鱼壳的微观结构显示砖和砂浆结构( Tran et al., 2017 )；(C)电辅助3D打印制作的具有各向异性电学特性的珍珠层模型和自感应智能头盔( Yang et al., 2019 )；(D)受海螺壳启发的三层碳酸钙交叉层状结构的 3D 打印 ( Gu et al., 2017 )。

4.变形质料

仿生结构和仿生运动可以很洪流平改善人造质料的机械性能。阿尔斯兰等人发明了一种仿生设计，该设计应用了由温敏性差的填料 [聚 (乙二醇) (PEG)] 和温敏性增强聚合物 [聚 (N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM)] 制成的线性水凝胶致动器（图 6B）。别的，具有各向异性PEG排列的3D结构可以实现约莫 210% 的线性驱动，在与PEG增强偏向笔直和纵向的偏向上具有约莫 110% 的应变。从收缩到膨胀状态的主要驱动偏向比横向偏向（接近 20% 应变）高约六倍，并且可以通过 PEG 模式的对齐来控制运动。

图 6.通过 3D 打印体现变形质料结构的示意图。(A)松果结构示意图及刺激下的变形行为( Ren et al., 2019 )；(B) 3D 打印水凝胶双层结构的程序化运动 ( Arslan et al., 2019 )；(C)两种激活的形状影象花瓣状结构和可逆致动器的设计原理( Mao et al., 2016 )；(D)从象鼻中罗致灵感的 3D 打印仿生软执行器 ( Schaffner et al., 2018 )。

?总结

经过数百万年的进化，天然结构和质料已经进化出优异的机械性能。但这些自然结构往往过于庞大，古板制造技术无法企及。增材制造（3D 打�。┰诜律峁沟纳杓坪徒ㄔ熘邢允境鼍薮蟮挠攀��；翟銮拷峁狗�3D打印的进一步生长将取决于质料和结构的生长，以进一步提高拉伸模量、抗攻击性和韧性。别的，还需要开发新的 3D 打印工艺，例如更高的区分率、多质料能力、更大的打印面积和更低的制造本钱。

最近，仿生3D打印的研究已经从简单功效特性的研究转变为多功效特性的研究，因为大大都天然结构都具有多功效特性（例如机械/电/热特性的组合）。由于标准差别和质料差别，多质料复制受珍珠层启发的结构仍然保存局限性。使用多种聚合物，而天然珍珠层通过结合陶瓷和聚合物可开发出优异的结构。

外部场辅助3D打印技术在构建仿生结构方面体现出精彩的能力，但目前打印样品的尺寸仅限于厘米。为车辆、装甲和航空航天工程的实际应用建造大型结构仍然具有挑战性。幸运的是，当今制造和技术情况的快速生长正在推动仿生 3D打印技术的进步。总体而言，了解自然结构的机制可以引发3D打印工艺的生长，这些工艺将在未来的工程应用中发挥重要作用，例如防弹衣、机械臂、药物输送等。

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