供稿人：武文澤、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-10-24
傳統(tǒng)的人造復(fù)合材料都是通過高溫?zé)Y(jié)來實現(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環(huán)境下，通過生物酶的調(diào)控來實現(xiàn)多尺度等級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，其力學(xué)行為遠高于各類合成復(fù)合材料。
受自然合成復(fù)合材料過程的啟發(fā)，南方科技大學(xué)劉吉團隊結(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，實現(xiàn)3D打印軟質(zhì)水凝膠材料（模量為125kPa）到硬質(zhì)復(fù)合復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變（150MPa），克服了傳統(tǒng)水凝膠材料3D打印制造的局限性。
具體的制造過程如下：首先將載酶水凝膠墨水前體打印成預(yù)先指定的3D結(jié)構(gòu)（圖1a），然后在堿性磷酸酶（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，從而實現(xiàn)酶誘導(dǎo)的生物礦化（圖1b）。在礦化過程中，透明的3D打印水凝膠晶格逐漸演變成白色外觀（圖1c）。經(jīng)過力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)礦化前后楊氏模量有極大的提高（圖1d）。
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。a) 3D打印水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。b) 酶誘導(dǎo)的水凝膠礦化示意圖。c) 誘導(dǎo)礦化的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)演變圖。d) 礦化前后水凝膠楊氏模量對比圖。
結(jié)合嵌入式3D打印，該團隊實現(xiàn)了各類自支撐結(jié)構(gòu)的3D打印制造（圖2）。傳統(tǒng)嵌入式3D打印水凝膠得到的自支撐結(jié)構(gòu)在支撐材料移除后，結(jié)構(gòu)會迅速坍塌或形狀失真；而在本研究中，通過在支撐材料中加入生物酶，促進3D打印結(jié)構(gòu)的原位礦化，首次實現(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)的生物礦化來制造空間自支撐結(jié)構(gòu)
該研究為制造具有高保真架構(gòu)和定制機械性能的復(fù)合材料提供了一種可行的方法，通過將3D打印與生物礦化相結(jié)合，為下一代功能材料和結(jié)構(gòu)開辟了新的道路。