供稿人：张佳豪、连芩 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-07-26
梯度结构的分级结构赋予了自然物质独特的性质，尽管参数化、优化和机器学习算法提供了实现梯度结构仿生设计的能力，但精确制造诸如孔隙梯度等复杂结构仍然是一个挑战。尽管传统的直接墨水书写（DIW）3D打印策略已被普遍接受并成为获得均匀多孔结构的金标准，但固定的打印参数(打印速度V和打印高度H)和常数D限制了梯度和其他复杂结构的创建。目前解决这一问题的策略主要集中在不同区域之间的纤维直径、间距和交角的整体变化上，在控制梯度维度、梯度分辨率和形状保真度方面面临挑战。
针对以上问题，中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员联合哈尔滨工大学韩振宇教授报道了一种纤维直径可调的3D打印策略，该策略使传统的挤出 3D 打印机能够通过连续改变打印轨迹上沉积油墨的体积来生产具有可调异质结构的 1D、2D 和 3D 梯度物质。具体来说，作者通过定制打印速度和高度来开发直径可编程的耗材。为了实现高形状保真度，在需要的位置添加了支撑层。
图1 通过FDA-3DP新策略设计和制造水平梯度多孔结构
为了探索展示FDA-3DP新策略的更深应用，作者设计制造了内嵌HIT字母（哈尔滨工业大学的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度结构。结果显示HIT字母分别完成了在长方体内部的完全贯穿、居中隐藏和居中隐藏并逆时针旋转45°分布（如图2a）。此外，还在立方体内镶嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超结构领域定制局部力学性能的潜在应用（如图2b-d）。
图2 高度可调孔尺寸的梯度结构（内嵌HIT字母和V字母）
本文提出的FDA-3DP新策略突破了传统挤出3D打印技术难以加工复杂梯度多孔结构的难题，作者探索了其在组织工程与仿生器官制造（如骨、软骨、血管）、4D打印等领域的应用可行性，如图3所示。
图3 FDA-3DP策略制造的梯度结构的潜在应用
该研究通过定制3D打印运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现挤出3D打印纤维直径的精准控制，革新均匀纤维堆积的传统模式，实现梯度多孔结构的精准制造，为异质器官仿生构建提供新策略。