基于3D打印的仿生材料.docxVIP

摘要

随着3D打印技术的飞速发展和广泛应用，能够模仿和制造的生物仿生结构越来越多样化．简单介绍了现有的3D打印技术，并从结构、功能、医用和智能材料等方面综述了3D打印技术结合仿生领域的研究成果，如贝壳珍珠层、龙虾螯棒、鲨鱼皮、荷叶、血管网络和义肢等；最后讨论了3D打印技术在仿生领域面临的挑战和发展前景．

仿生材料是指从自然万物中汲取灵感而开发出来的材料，与仿生学密切相关．仿生学是对自然及其模型、系统、过程和元素的研究，从中获取灵感，用以实际工程应用，来解决人类生活中存在的各种问题，一般而言，生物结构都是复杂而精细的，这是多种传统制造技术都无法复刻的，3D打印属于增材制造技术（AM），因其具有区别于传统减材制造的灵活性，使得其无需机械加工或使用模具，仅仅利用图纸即可生成任意形状的零件,现有的3D打印技术包括立体光刻（SLA）、熔融沉积建模(FDM)、直接墨水书写(DIW)、选择性激光烧结(SLS)、多喷射打印(MJP)和选择性激光熔化(SLM)等，这些3D打印技术已经成功地用于部分生物仿生结构的制造，然而其仍存在着一定的局限性,3D打印的分辨率、成本和制造速度之间的平衡问题，以及多尺度结构的制造等是目前研究的难点．

3D打印可以极大程度地实现设计自由，有助于轻松地创建复杂的对象，这是使用传统方法很难做到的，因此人们开始在各个方面使用3D打印，包括仿生学，在自然界中，很多复杂的结构远远超过了传统设计和制造技术的能力水平，限制了仿生学研究的发展及其工程应用，3D打印为自然界本质上的多尺度、多材料和多功能结构的模拟和复制提供了新的可能性。

本文从仿生角度出发，基于3D打印技术，综述了近年来3D印生物仿生结构的发展，并分别从生物结构、生物功能与生物医用方面进行讨论，同时探讨了3D打印技术未来的发展和当前面临的挑战．

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3D打印技术

设计复杂的仿生结构一般采用3D打印技术进行加工，虽然利用传统的加工方法也可能得到相同的结构，但这个过程是繁琐且漫长的，效率低下的同时成本也大大增加．因此，仿生结构的研究越来越依赖于AM，两者得以共同进步和发展。

AM是一种简便快捷的制造技术，但其本质上又是复杂的，其使用逐层堆叠的方法来连接材料并构建整体结构，并不像传统加工技术通过减材或一体成型来构造所需的结构。

SLA技术可以将液态树脂聚合物通过紫外线照射凝固成固态物件．?在加工过程中，首先将零件的三维模型文件转换为STL文件，即3D打印机的输入文件，3D打印机根据该STL文件进行切片和添加支撑，最后准确打印3D实物.在SLA艺中，紫外线根据切片截面选择性地照射在光敏聚合物液体的上表面，待该层光敏聚合物液体硬化后，继续下一层的照射，直至完成3D打印.SLA是最早的快速成型技术，成熟度高，印刷工艺稳定，精度高，机器供应商众多。由于受到光固化材料脆性、易变形和生物相容性低等性能的限制，SLA打印技术多用于临时替代材料领域，如牙科、玩具、模具、汽车和航空航天领域等。

FDM技术是通过3D打印机将热塑性长丝加热至熔融状态，并通过多轴挤出头将半液态的材料沿着零件截面轮廓涂覆到略低于固化温度的印刷床上，并逐层堆积后形成预定的实体零件，这个过程一般需要数个小时甚至更长时间。

FDM技术制作工艺简单，可采用该技术加工多种类型的材料，但打印速度低，精度不高，加工部件需要进行大量后处理。因此，相对于SLA技术，其成型零件的表面条纹较为明显，适用于表面加工精度要求不高的零件，多应用在生物医学、工程建筑和纺织工业等领域。

SLS技术采用红外激光装置作为能源，先将固体粉末预热到稍低于其熔点，后利用平整滚和激光束对分层截面进行选择性烧结，层层烧结后形成最终的固体零件。在SLS工艺中，有多种材料可用作原材料，如热塑性塑料、陶瓷、玻璃和金属等。SLS技术分辨率高、尺寸精度大和打印对象可以相互堆叠，因此，非常适合放大和大规模生产。SLS技术还具有回收和再加工原料、减少浪费和支持绿色药物的功能。因此，SLS技术可以在汽车、航空工业和医疗等领域得到利用。

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仿生3D打印

2.1?仿生物结构材料

软体动物经过长时间进化，逐渐演化出了保护自己的外壳，其能保护自身不受恶劣环境的影响，以及抵挡外来生物的进攻．?其中，天然贝壳利用简单材料展现出的高强度引发了科研人员的兴趣和关注，对其研究发现，贝壳本身由角质层、棱柱层和珍珠层组成。

其中，珍珠层结构最为复杂精妙，综合性能也最为突出。在微纳米尺度下，天然珍珠层表现出三维的“砖—泥”?结构，如图1所示。为了验证贝壳珍珠层优异的力学性能，Jackson?等对其进行了多项力学性能测试，测试结果显示，拉伸强度与杨氏模量分别达到了80～135MPa?和60～70Gpa。

此外，贝壳珍珠层的断裂韧性高达1.24KJ／ｍ２．Dimas等利用SLA技术，精