通過3d打印模擬自然界的細胞結構

大自然用有限的設計材料做令人驚奇的事情。 例如，草可以支撐自己的重量，抵抗強風荷載，并在被壓縮后恢復。 該植物的硬度來自其中空、管狀宏觀結構和多孔微結構的結合。 這些建筑特征共同作用，使草具有強大的力學性能。

受天然細胞結構的啟發(fā)，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)、哈佛大學Wyss生物啟發(fā)工程研究所和麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種新的方法，利用陶瓷泡沫墨水對具有獨立可調諧宏觀和微尺度孔隙率的三維打印材料進行研究。

它們的方法可用于制備輕質結構材料、隔熱材料或組織支架。

該研究發(fā)表在<自然科學院院刊>上..

“通過擴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結構，”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核心學院的成員。

劉易斯實驗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、劉易斯實驗室的研究生JosephMuth說：“泡沫墨水很有趣，因為你可以在更大的細胞宏觀結構中對細胞的微觀結構進行數(shù)字成像?！?“油墨凝固后，由此產(chǎn)生的結構由多個長度尺度上由陶瓷材料包圍的空氣組成。 當你將孔隙度納入結構時，你就會賦予它本來不會擁有的特性?！?/p>

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

麻省理工學院材料科學與工程教授洛娜·吉布森(Lorna Gibson)說：“這一過程結合了兩個世界中最好的東西。 “你得到的微結構控制與泡沫處理和全球建筑控制與印刷。 因為我們正在打印一些已經(jīng)包含特定微觀結構的東西，所以我們不需要對每個單獨的片段進行圖案化。 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構的結構。

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，包括機械、熱和運輸特性，可以在一個單一步驟打印的結構中進行優(yōu)化。

雖然團隊專注于這項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：“這項工作是朝著可擴展的多孔材料制造方向邁出的重要一步?！?/p>