供稿人:张兵 贺健康 发布日期：2017-10-18
自然界中的生物体历经亿万年的选择进化，产生了许多令人惊奇的特殊结构和丰富的性能。例如众所周知的壁虎脚掌吸附能力、荷叶表面的超疏水性能、变色龙皮肤变色现象等。螺旋渐进式结构（图1）是广泛存在于生物体内的一种特殊结构，例如甲虫翅膀、牡蛎鳞片、龙虾外壳等生物体结构都是由螺旋渐进式结构组成。大自然的灵感使微纳纤维或颗粒在不同层数之间有规律的异向排布，从而使天然生物体结构具备更优异的性能。
图1 生物体内的螺旋渐进式结构
近日，南加利福尼亚大学的研究人员在国际知名期刊Advanced Materials 发表了他们最新的研究成果，他们使用电辅助面曝光3D打印技术实现了螺旋渐进式结构的制造，并应用于高强度仿生半月板的打印。面曝光3D打印是一种较为通用的3D打印方法，这项研究的新颖之处在于使用了一种可旋转的工作台，同时工作台上布置有两个工作电极，通过施加外部电场实现纤维材料在工作台内的定向排列（图2）。结合面曝光技术逐层成形的特点，制造过程中每曝光一层工作台旋转一定角度，从而使每一层结构具有不同的纤维分布方向，实现打印结构的各向异性。这种螺旋渐进式结构可以有效防止结构表面裂纹的延伸，同时具备优异的强度。
图2 电辅助面曝光3D打印技术原理图
这种电辅助面曝光3D打印技术可实现纤维结构的任意宏观尺寸和微观纤维定向，为生物体内纤维化组织的制造提供了新的思路。大自然的奥秘无处不在，新奇的结构可以带来丰富的性能。3D打印技术为模拟大自然的仿生结构提供了可行的工艺手段，未来将会具备更广阔的应用前景。