通过3d打印模拟自然界的细胞结构

大自然用有限的设计材料做令人惊奇的事情。 例如，草可以支撑自己的重量，抵抗强风荷载，并在被压缩后恢复。 该植物的硬度来自其中空、管状宏观结构和多孔微结构的结合。 这些建筑特征共同作用，使草具有强大的力学性能。

受天然细胞结构的启发，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)、哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员开发了一种新的方法，利用陶瓷泡沫墨水对具有独立可调谐宏观和微尺度孔隙率的三维打印材料进行研究。

它们的方法可用于制备轻质结构材料、隔热材料或组织支架。

该研究发表在<自然科学院院刊>上..

“通过扩大可打印材料的组成空间，我们可以生产出具有特殊刚度的轻质结构，”该论文的高级作者、SEAS生物启发工程教授HansjorgWyss说。 刘易斯也是Wyss核心学院的成员。

刘易斯实验室使用的陶瓷泡沫油墨含有氧化铝颗粒、水和空气。

这篇论文的第一作者、刘易斯实验室的研究生JosephMuth说：“泡沫墨水很有趣，因为你可以在更大的细胞宏观结构中对细胞的微观结构进行数字成像。” “油墨凝固后，由此产生的结构由多个长度尺度上由陶瓷材料包围的空气组成。 当你将孔隙度纳入结构时，你就会赋予它本来不会拥有的特性。”

通过控制泡沫的微观结构，研究人员调整了油墨的性能及其在微尺度上的变形。 一旦优化，该团队打印了轻量级的六角形和三角形蜂窝，具有可调的几何形状，密度和刚度。

麻省理工学院材料科学与工程教授洛娜·吉布森(Lorna Gibson)说：“这一过程结合了两个世界中最好的东西。 “你得到的微结构控制与泡沫处理和全球建筑控制与印刷。 因为我们正在打印一些已经包含特定微观结构的东西，所以我们不需要对每个单独的片段进行图案化。 这使我们能够以比以前更可控的方式建立具有特定层次结构的结构。

穆思说：“我们现在可以制造多功能材料，其中许多不同的材料性能，包括机械、热和运输特性，可以在一个单一步骤打印的结构中进行优化。

虽然团队专注于这项研究的单一陶瓷材料，可打印泡沫油墨可以由许多材料，包括其他陶瓷，金属和聚合物。

刘易斯说：“这项工作是朝着可扩展的多孔材料制造方向迈出的重要一步。”