供稿人:張兵 賀健康 發(fā)布日期：2017-10-18
自然界中的生物體歷經(jīng)億萬(wàn)年的選擇進(jìn)化，產(chǎn)生了許多令人驚奇的特殊結(jié)構(gòu)和豐富的性能。例如眾所周知的壁虎腳掌吸附能力、荷葉表面的超疏水性能、變色龍皮膚變色現(xiàn)象等。螺旋漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)（圖1）是廣泛存在于生物體內(nèi)的一種特殊結(jié)構(gòu)，例如甲蟲翅膀、牡蠣鱗片、龍蝦外殼等生物體結(jié)構(gòu)都是由螺旋漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)組成。大自然的靈感使微納纖維或顆粒在不同層數(shù)之間有規(guī)律的異向排布，從而使天然生物體結(jié)構(gòu)具備更優(yōu)異的性能。
圖1 生物體內(nèi)的螺旋漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)
近日，南加利福尼亞大學(xué)的研究人員在國(guó)際知名期刊Advanced Materials 發(fā)表了他們最新的研究成果，他們使用電輔助面曝光3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了螺旋漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)的制造，并應(yīng)用于高強(qiáng)度仿生半月板的打印。面曝光3D打印是一種較為通用的3D打印方法，這項(xiàng)研究的新穎之處在于使用了一種可旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)，同時(shí)工作臺(tái)上布置有兩個(gè)工作電極，通過(guò)施加外部電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)纖維材料在工作臺(tái)內(nèi)的定向排列（圖2）。結(jié)合面曝光技術(shù)逐層成形的特點(diǎn)，制造過(guò)程中每曝光一層工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度，從而使每一層結(jié)構(gòu)具有不同的纖維分布方向，實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)的各向異性。這種螺旋漸進(jìn)式結(jié)構(gòu)可以有效防止結(jié)構(gòu)表面裂紋的延伸，同時(shí)具備優(yōu)異的強(qiáng)度。
圖2 電輔助面曝光3D打印技術(shù)原理圖
這種電輔助面曝光3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)的任意宏觀尺寸和微觀纖維定向，為生物體內(nèi)纖維化組織的制造提供了新的思路。大自然的奧秘?zé)o處不在，新奇的結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)豐富的性能。3D打印技術(shù)為模擬大自然的仿生結(jié)構(gòu)提供了可行的工藝手段，未來(lái)將會(huì)具備更廣闊的應(yīng)用前景。