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       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不同的环境。此外，生物结构通常可以演变成某些与功能相关的模型。然而，自然模型中复杂的微结构构造超出了传统制造方法的制造能力。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打印工艺的出现提升了设计自由度，同时具有材料浪费最小化、可大规模定制、几何结构复杂、快速原型制作以及制造复杂微/细观结构的能力，彻底改变了现代制造模式。

©3D科学谷白皮书

仿生结构的范围涉及植物、动物和昆虫, 其复杂结构可以通过 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材料的韧性和抗冲击性。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冲击性。

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材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，对于具有增强性能，尤其是机械性能提升的仿生3D打印材料的最新进展进行了研究，相关成果以标题为“Rapid Recent Advancements in Biomimetic 3D Printing Materials With Enhanced Mechanical Properties” 发表在材料前沿期刊《Frontiers in Materials》。本期谷.专栏将结合这篇论文, 洞悉单一材料、多材料3D打印仿生结构的发展。

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

 单一材料

业界对使用单一材料的仿生结构3D打印技术进行了广泛的研究。材料可以是不同类型的聚合物、金属、陶瓷等。使用 3D 打印的仿生结构在增强单一材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) 作为单一原材料，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材料来完成（图 2A）。

使用与蜂窝类似的方法，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）。测量的块状材料的弹性模量和屈服应力分别为 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，直到达到临界值。结果可用于预测和优化各种蜂窝的机械性能，如图 （2B）。

该研究表明，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/m³增加到 高密度的 L-FH-1 样品的496.97、5.96 MPa 、 2132 KJ/m³ ( 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)蜂窝状结构和不同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打印方法在聚氨酯膜上构建不同的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 结构。他们构建了仿鱼鳞结构，结果表明，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。与孤立的鳞片相比，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。这一结果表明，3D 打印仿生结构的尺度相互作用（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 打印聚合物材料，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保护性，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）。对于使用金属的仿生结构的 3D 打印，使用了AlSi 10 Mg 粉末材料，以通过选择性激光熔化 (SLM) 技术模拟甲虫壳结构 。研究了不同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) 在样品中达到 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）。

 多材料

目前3D打印可以构建多材料或复合系统。在受自然结构启发的单个组件中，硬度、耐腐蚀性和环境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能组件，这是传统单材料3D打印无法实现的。

1.Bouligand结构材料

Bouligand 型结构是一种特定的分层排列结构，可以在保持少量质量的同时实现出色的机械性能。研究发现制造这种结构的一个挑战是在制造过程中难以对齐基体中的增强相。应对这一挑战的一个解决方案是应用额外的场来通辅助3D 打印实现形状变化的各向异性。为了使用 3D 打印重新创建这种独特的加固结构，需要应用几个额外的外部场。结果显示机械性能得到改善，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，具有不同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 打印（Yang 等人，2017 年）；(五)Bouligand 结构的磁性 3D 打印以及不同比例或嵌入微结构的组件的冲击强度比较 ( 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 型排列的表面功能化 MWCNT-S（图3D）。将磁场应用于仿生结构材料的 3D 打印制造过程，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。

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