供稿人：武文泽、高琳 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-10-24
传统的人造复合材料都是通过高温烧结来实现，耗能高且适用范围有限；而大自然的复合材料（如骨骼、贝类等）都是在较为温和的湿润环境下，通过生物酶的调控来实现多尺度等级结构的构筑，其力学行为远高于各类合成复合材料。
受自然合成复合材料过程的启发，南方科技大学刘吉团队结合水凝胶3D打印和酶诱导生物矿化制备具有极端力学行为的功能材料，实现3D打印软质水凝胶材料（模量为125kPa）到硬质复合复合材料的转变（150MPa），克服了传统水凝胶材料3D打印制造的局限性。
具体的制造过程如下：首先将载酶水凝胶墨水前体打印成预先指定的3D结构（图1a），然后在碱性磷酸酶（ALP）的诱导下甘油磷酸钙（CaGP）水解，在水凝胶内部沉积磷酸钙纳米颗粒，从而实现酶诱导的生物矿化（图1b）。在矿化过程中，透明的3D打印水凝胶晶格逐渐演变成白色外观（图1c）。经过力学测试发现矿化前后杨氏模量有极大的提高（图1d）。
图1 具有极端力学行为的复合水凝胶的3D打印和酶催化矿化。a) 3D打印水凝胶网络结构示意图。b) 酶诱导的水凝胶矿化示意图。c) 诱导矿化的水凝胶网络结构形态演变图。d) 矿化前后水凝胶杨氏模量对比图。
结合嵌入式3D打印，该团队实现了各类自支撑结构的3D打印制造（图2）。传统嵌入式3D打印水凝胶得到的自支撑结构在支撑材料移除后，结构会迅速坍塌或形状失真；而在本研究中，通过在支撑材料中加入生物酶，促进3D打印结构的原位矿化，首次实现在支撑材料移除的情况下，依旧能获得稳定的三维自支撑结构。
图2 利用嵌入式3D打印和酶诱导的生物矿化来制造空间自支撑结构
该研究为制造具有高保真架构和定制机械性能的复合材料提供了一种可行的方法，通过将3D打印与生物矿化相结合，为下一代功能材料和结构开辟了新的道路。