通過3d打印模擬自然界的細(xì)胞結(jié)構(gòu)

大自然用有限的設(shè)計(jì)材料做令人驚奇的事情。 例如，草可以支撐自己的重量，抵抗強(qiáng)風(fēng)荷載，并在被壓縮后恢復(fù)。 該植物的硬度來自其中空、管狀宏觀結(jié)構(gòu)和多孔微結(jié)構(gòu)的結(jié)合。 這些建筑特征共同作用，使草具有強(qiáng)大的力學(xué)性能。

受天然細(xì)胞結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)、哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所和麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新的方法，利用陶瓷泡沫墨水對具有獨(dú)立可調(diào)諧宏觀和微尺度孔隙率的三維打印材料進(jìn)行研究。

它們的方法可用于制備輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、隔熱材料或組織支架。

該研究發(fā)表在<自然科學(xué)院院刊>上..

“通過擴(kuò)大可打印材料的組成空間，我們可以生產(chǎn)出具有特殊剛度的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，”該論文的高級作者、SEAS生物啟發(fā)工程教授HansjorgWyss說。 劉易斯也是Wyss核心學(xué)院的成員。

劉易斯實(shí)驗(yàn)室使用的陶瓷泡沫油墨含有氧化鋁顆粒、水和空氣。

這篇論文的第一作者、劉易斯實(shí)驗(yàn)室的研究生JosephMuth說：“泡沫墨水很有趣，因?yàn)槟憧梢栽诟蟮募?xì)胞宏觀結(jié)構(gòu)中對細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字成像?！?“油墨凝固后，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)由多個(gè)長度尺度上由陶瓷材料包圍的空氣組成。 當(dāng)你將孔隙度納入結(jié)構(gòu)時(shí)，你就會(huì)賦予它本來不會(huì)擁有的特性?！?/p>

通過控制泡沫的微觀結(jié)構(gòu)，研究人員調(diào)整了油墨的性能及其在微尺度上的變形。 一旦優(yōu)化，該團(tuán)隊(duì)打印了輕量級的六角形和三角形蜂窩，具有可調(diào)的幾何形狀，密度和剛度。

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授洛娜·吉布森(Lorna Gibson)說：“這一過程結(jié)合了兩個(gè)世界中最好的東西。 “你得到的微結(jié)構(gòu)控制與泡沫處理和全球建筑控制與印刷。 因?yàn)槲覀冋诖蛴∫恍┮呀?jīng)包含特定微觀結(jié)構(gòu)的東西，所以我們不需要對每個(gè)單獨(dú)的片段進(jìn)行圖案化。 這使我們能夠以比以前更可控的方式建立具有特定層次結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

穆思說：“我們現(xiàn)在可以制造多功能材料，其中許多不同的材料性能，包括機(jī)械、熱和運(yùn)輸特性，可以在一個(gè)單一步驟打印的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行優(yōu)化。

雖然團(tuán)隊(duì)專注于這項(xiàng)研究的單一陶瓷材料，可打印泡沫油墨可以由許多材料，包括其他陶瓷，金屬和聚合物。

劉易斯說：“這項(xiàng)工作是朝著可擴(kuò)展的多孔材料制造方向邁出的重要一步?！?/p>