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傳統的人造複合材料都是通過高溫燒結來實現，耗能高且適用範圍有限；而大自然的複合材料（如骨骼、貝類等）都是在較為溫和的濕潤環境下，通過生物酶的調控來實現多尺度等級結構的構築，其力學行為遠高於各類合成複合材料。南科大劉吉團隊在《Advanced Functional Materials》上發表文章「Bioinspired 3D Printing of Functional Materials by Harnessing Enzyme-Induced Biomineralization」，結合水凝膠3D打印和酶誘導生物礦化製備具有極端力學行為的功能材料，實現3D打印軟質水凝膠材料（模量為125 kPa）到硬質複合複合材料的轉變（150 MPa）。

該研究團隊開發了一系列具有剪切變稀和應力屈服的載酶水凝膠墨水，實現各類精細水凝膠結構的3D打印製造；同時，在鹼性磷酸酶（ALP）的誘導下甘油磷酸鈣（CaGP）水解，在水凝膠內部沉積磷酸鈣納米顆粒，最終獲得礦物質含量達50%的複合材料，楊氏模量高達150 MPa（圖1，視頻1）。


圖1. 具有極端力學行為的複合水凝膠的3D打印和酶催化礦化。

視頻1. 3D打印礦化水凝膠的製備過程。

結合嵌入式打印，該團隊實現了各類自支撐結構的單一墨水/多種墨水的3D打印製造（圖2，視頻2），擺脫了重力的影響和層層堆積方式的制約。然而，傳統嵌入式3D打印水凝膠得到自支撐結構在支撐材料移除後，結構迅速坍塌；但在本研究中，通過在支撐材料（PEO-PPO-PEO水凝膠）中加入CaGP，促進3D打印結構的原位礦化，首次實現在支撐材料移除的情況下，依舊能獲得穩定的三維自支撐結構。


圖2. 利用嵌入式3D打印和酶誘導的生物礦化來製造空間自支撐結構。

視頻2. 嵌入式打印三維結構過程。

大自然中很多動物軀殼都具有軟/硬組分周期性排列的鑲嵌式幾何結構(tessellated structure)，構建生物體的特殊安全保護機制，以應對外界的壓縮和拉伸負荷。受啟發於這類結構，該團隊通過多材料3D打印，實現鹼性磷酸酶的選擇性分布，進而獲得具有區域選擇性礦化的鑲嵌式幾何結構材料（圖3）。這類結構展現出傳統均質結構所不具備的力學行為，比如拉伸-壓縮不對稱性：拉伸過程中軟質組分提供小應力下的大形變，而在壓縮過程中硬質材料承受更大的負載（壓縮應力/拉伸應力> 100），為各類仿生結構超材料的製備提供了新的可能。


圖3. 動物軀殼中的周期性結構，多材料3D打印技術製造的鑲嵌結構及拉伸壓縮不對稱性力學行為。

南方科技大學碩士生陳廣大和梁翔禹博士為該論文共同第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復機器人重點實驗室、廣東省自然科學基金-區域聯合基金項目（青年基金）、深圳市優秀科技創新人才項目（博士啟動）、南方科技大學校長卓越博士後項目等經費支持。

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113262


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劉吉副教授及團隊劉吉博士於2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發表文章40餘篇。先後獲得國家級專家青年(2020)、《麻省理工科技評論》中國區「35歲以下科技創新35人」 (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。

課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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