張 靚, 趙 寧, 徐 堅(jiān)

(1. 北京科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院， 北京 100083)(2. 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所 高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190 )

1 前 言

生物經(jīng)過十多億年連續(xù)的進(jìn)化、突變和選擇，已經(jīng)形成十分多樣的材料和結(jié)構(gòu)。這些天然生物材料通常利用有限的組分構(gòu)造復(fù)雜的多級(jí)結(jié)構(gòu)，并利用這種多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多功能性，達(dá)到人工合成材料不可比擬的優(yōu)越性能。例如珠線結(jié)構(gòu)的蜘蛛絲具有高強(qiáng)度、可延展性、超級(jí)收縮性以及定向集水能力；蝴蝶的翅膀具有特殊微納結(jié)構(gòu)，兼具超疏水性和結(jié)構(gòu)顯色功能[1]。但是，大多數(shù)生物材料難以直接從自然中大規(guī)模獲取并應(yīng)用于材料與工程領(lǐng)域。因此，利用技術(shù)手段制備具有類似結(jié)構(gòu)與性能的仿生材料至關(guān)重要。目前，研究人員利用多種方法成功制備了性能優(yōu)異的仿生材料，有一些在工程領(lǐng)域已經(jīng)具有成熟的應(yīng)用。然而，天然生物材料的一些主要特征，例如精妙復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)、不均勻結(jié)構(gòu)的空間分布和取向等，很難使用傳統(tǒng)的方法精確模仿。仿生材料的制備仍是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和亟待突破的難題。

3D打印技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，是近年來興起的一種快速成型技術(shù)。3D打印采用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，通過逐層疊加的方法構(gòu)筑目標(biāo)材料，具有快速化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)。3D打印與生物材料天然的形成過程具有相似性：在原材料的供給上，單元組分可以選擇連續(xù)不斷或者逐步供給；在結(jié)構(gòu)構(gòu)筑上，由編程代碼控制物質(zhì)局部微觀形貌和宏觀形狀；在形成機(jī)理上，通過代碼的執(zhí)行進(jìn)而調(diào)控結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成[2]。由于3D打印可以同時(shí)控制材料局部的化學(xué)組成和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更高復(fù)雜度和功能性材料的制備，所得材料性能或?qū)?yōu)于現(xiàn)有手段所制備的仿生材料。此外，3D打印技術(shù)所制備的仿生材料可以作為模型，用于研究生物微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而獲得更好的設(shè)計(jì)理念以及進(jìn)一步優(yōu)化材料性能的方法。

本文概述了用于仿生材料制備的一些3D打印技術(shù)，分別從以下3個(gè)方面總結(jié)了近年來利用3D打印技術(shù)制備仿生材料的研究進(jìn)展和代表性成果：① 微納米結(jié)構(gòu)的仿生3D構(gòu)筑，② 模仿天然生物材料微觀結(jié)構(gòu)的生物3D打印，③ 以仿生機(jī)器人為代表的功能性仿生3D打印。討論了目前該領(lǐng)域面臨的問題，并探討了3D打印在仿生材料領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。

2 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)通常分為液池光固化技術(shù)(vat photopolymerization)、粉末床熔融技術(shù)(power bed fusion)、材料噴射技術(shù)(material jetting)、粘合劑噴射技術(shù)(binder jetting)、材料擠出技術(shù)(material extrusion)、直接能量沉積技術(shù)(directed energy deposition)和層片疊加技術(shù)(sheet lamination)7大類。本文僅對(duì)在仿生材料領(lǐng)域中所常用到的液池光固化技術(shù)、材料噴射技術(shù)和材料擠出技術(shù)進(jìn)行介紹(圖1)，其他3D打印技術(shù)可見相關(guān)綜述[3]。液池光固化技術(shù)是一類應(yīng)用較為廣泛的3D打印技術(shù)，其主要原理是通過對(duì)液態(tài)光敏樹脂池進(jìn)行選擇性光照(紫外或可見光)，使光敏樹脂由液態(tài)快速轉(zhuǎn)化為固態(tài)而成形[4]。液池光固化技術(shù)主要包括光固化立體成型(stereolithography, SLA)、數(shù)字光處理技術(shù)(digital light processing, DLP)和雙光子聚合(two-photon polymerization，TPP)3種方法。SLA方法一般由波長(zhǎng)在UV區(qū)間的激光引發(fā)聚合，具有高空間分辨率，其制備速度取決于激光的掃描速度。由于SLA是基于單光子聚合，所以其精度受限于光學(xué)繞射極限。DLP技術(shù)與SLA相似，但是不同于SLA點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的照射，DLP通過投影儀逐層固化，制備速度更快。通過與外場(chǎng)輔助系統(tǒng)結(jié)合，SLA和DLP技術(shù)可以用于制備各類仿生結(jié)構(gòu)材料[5, 6]。TPP技術(shù)高度聚焦激光中心使得兩個(gè)光子可同時(shí)被吸收，基于多光子吸收的非線性關(guān)系，其分辨率可以小于光的波長(zhǎng)，達(dá)到100 nm。和其它3D技術(shù)層層疊加原理不同，TPP的焦點(diǎn)可以任意移動(dòng)，是具有完全自由度的三維打印，缺點(diǎn)是打印速度較慢。TPP技術(shù)可以用于制備各種精密光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件，例如仿鷹眼視覺成像系統(tǒng)[7]和微血管打印[8]。

利用光固化成型方法的還有材料噴射技術(shù)，其通過熱電或壓電技術(shù)，將光敏樹脂液體通過多個(gè)噴頭濺射成微液滴，并利用紫外光進(jìn)行薄層固化，實(shí)現(xiàn)快速成型[9]。液池光固化只有在制備極其復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)才需要支撐物，與之不同的是，材料噴射技術(shù)需要致密的支撐結(jié)構(gòu)，其制備過程通常包括采用不同的噴頭同時(shí)噴射成型材料和支撐材料，打印結(jié)束后再洗去支撐物。材料噴射技術(shù)由于具有多噴頭，通?？蛇_(dá)數(shù)百個(gè)，因此可以用于制備多組分體系，這是SLA和DLP技術(shù)很難達(dá)到的。因?yàn)樯锊牧贤ǔＳ刹煌M分構(gòu)成，所以多材料噴射技術(shù)在仿生材料領(lǐng)域有重要應(yīng)用[10-13]。

材料擠出技術(shù)，包括熔融堆積成型(fused deposition modeling, FDM)和墨水直寫技術(shù)(direct ink writing, DIW), 在仿生領(lǐng)域和生物3D打印領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[14]。FDM技術(shù)的原理是將熱塑性材料加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或結(jié)晶溫度以上，然后通過移動(dòng)的噴嘴擠出沉積成型。 Miyake等[15]利用FDM方法制備了模擬蝴蝶翅膀的具有結(jié)構(gòu)色的塑料零件。但是FDM精度較低，產(chǎn)品機(jī)械性能較差，并需要將原料制備成1.75 mm或3.0 mm的線料，因此一般主要用于模型展示[16]。DIW技術(shù)通過在常溫下擠出粘彈性材料成型，可使用材料包括聚合物溶液、聚合物分散液、復(fù)合材料、生物材料、活細(xì)胞等，在所有3D打印技術(shù)中應(yīng)用范圍最為廣泛。通過增加擠出噴頭的數(shù)量，DIW技術(shù)可以同時(shí)打印多種材料。

圖1 幾種仿生材料領(lǐng)域常用3D打印技術(shù)的最小特征尺寸Fig.1 The minimum size features of several 3D printing methods mainly applied in bioinspired materials field

3 仿生微結(jié)構(gòu)3D打印

生物材料優(yōu)異的性能來源于其精妙的微觀結(jié)構(gòu)以及對(duì)多種材料的合理利用。大部分生物材料由無機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料組成，且形成的結(jié)構(gòu)具有多級(jí)性與復(fù)雜性。用于模擬生物材料微觀結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)需要可以同時(shí)打印兩種或多種不同類型的材料，或者可以打印復(fù)合體系。雖然目前所制備的3D打印材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸比生物原型要高數(shù)倍，但是仍可以有效地提高材料的性能，并對(duì)其生物原型的生物物理性能進(jìn)行模擬與研究。

3.1 仿貝殼結(jié)構(gòu)

軟體動(dòng)物的貝殼、動(dòng)物的骨頭、牙釉質(zhì)層等高礦化度生物材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，尤其是貝殼的珍珠層因具有優(yōu)異的力學(xué)性能(韌性≈1.24 kJ·m-2; 強(qiáng)度≈140 MPa; 剛度≈60 MPa)，一直以來廣受關(guān)注[17]。貝殼珍珠層是一種復(fù)合材料，由95%的“硬”礦物質(zhì)相(文石片)和5%的“軟”有機(jī)相(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖類聚合物)交錯(cuò)排列成夾層結(jié)構(gòu)，其在納米尺度上具有特殊的有序性和強(qiáng)度。珍珠層的生物礦化形成機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)為合成新型材料提供了指導(dǎo)思想[18]。Buehler等[10]基于介觀分子力學(xué)模型，利用材料噴射成型技術(shù)同時(shí)打印基于丙烯酸類光敏樹脂的剛性材料(VeroWhitePlus)和柔性材料(TangoBlackPlus)，用以模擬珍珠層結(jié)構(gòu)的硬相和軟相。這種3D打印的仿貝殼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其韌性比單一組分大一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨后，該團(tuán)隊(duì)又基于3D打印對(duì)仿生復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列的模擬研究[19, 20]。海螺殼的強(qiáng)度比貝殼高一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是其復(fù)雜的交錯(cuò)微層結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)的方法很難模仿。Buehler等[11]利用相同方法制備了具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的仿海螺材料，其抗沖擊性能比只具有一級(jí)結(jié)構(gòu)的材料提高了70%，且相對(duì)于只具有“硬”相的單一組分提高了85%。目前，材料噴射3D打印技術(shù)已被多個(gè)研究組用作重要手段對(duì)貝殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與模擬[21]。

3.2 仿龍蝦殼結(jié)構(gòu)

相對(duì)于貝殼和骨頭的高礦化度，一些蝦殼、蟹殼等低礦化度生物材料利用Bouligand結(jié)構(gòu)也可以獲得輕質(zhì)、高強(qiáng)和高韌的特點(diǎn)。Bouligand結(jié)構(gòu)是一種由取向排列纖維組成的多層結(jié)構(gòu)，層與層之間垂直于法線方向螺旋旋轉(zhuǎn)。這種特殊結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，形成周期性的彈性模量變化阻擋裂紋前進(jìn)，增強(qiáng)材料的斷裂韌性。Bouligand結(jié)構(gòu)是甲殼類動(dòng)物角質(zhì)層的主要結(jié)構(gòu)特征，廣泛存在于自然界的硬組織中，可以起到“盔甲”的保護(hù)作用和“拳頭”的攻擊作用。例如，美國(guó)龍蝦(homarus americanus)外角質(zhì)層的α-甲殼素與蛋白質(zhì)納米纖維組成纖維以及纖維束，并與礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)進(jìn)一步層層疊加組成Bouligand結(jié)構(gòu)(圖2a)[22]。生活在亞馬遜流域的巨骨舌魚(arapaima gigas)的鱗片內(nèi)的膠原蛋白纖維采用Bouligand結(jié)構(gòu)，可以抵抗食人魚的攻擊[23, 24]。

Martin等[5]利用磁場(chǎng)使負(fù)載Fe3O4納米顆粒的氧化鋁片在丙烯酸樹脂中取向，然后使用DLP技術(shù)固化成型，獲得陶瓷/聚合物復(fù)合材料。通過改變片狀陶瓷顆粒的取向可以分別模擬簡(jiǎn)化后的雀尾螳螂蝦的錘節(jié)、哺乳動(dòng)物的骨結(jié)構(gòu)以及鮑魚貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)，并同時(shí)提高復(fù)合材料的剛度、硬度和拉伸強(qiáng)度。Yang等[6]進(jìn)一步發(fā)展了電場(chǎng)輔助的方法，通過在樹脂池側(cè)面設(shè)置兩個(gè)平板電極，在電場(chǎng)下誘導(dǎo)改性多壁碳納米管在環(huán)氧丙烯酸酯中取向，并利用樹脂池旋轉(zhuǎn)控制層間角度，最終形成Bouligand結(jié)構(gòu)(圖2)。雀尾螳螂蝦可以擊碎貝殼和魚骨等高度礦化生物組織，Yaraghi等[12, 13]發(fā)現(xiàn)其錘節(jié)上直接與獵物相接觸的沖擊區(qū)域結(jié)構(gòu)與普通的甲殼類動(dòng)物外骨骼的螺旋結(jié)構(gòu)不同，其甲殼素纖維采取了正弦緊密堆積式的Bouligand結(jié)構(gòu)，以獲取各向異性的力學(xué)性能。通過材料噴射3D打印技術(shù)對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，證明了其獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征可以增強(qiáng)應(yīng)力的重新分布和平面外剛性。

圖2 利用電場(chǎng)輔助3D打印美國(guó)龍蝦外殼Bouligand結(jié)構(gòu)[6]: (a)龍蝦外殼的Bouligand微結(jié)構(gòu)，(b)通過旋轉(zhuǎn)電極改變多壁碳納米管的取向，(c)不同取向多壁碳納米管的表面光學(xué)顯微鏡照片和斷面SEM照片，(d)3D打印的多壁碳納米管Bouligand結(jié)構(gòu)Fig.2 Biomimetic architectures with Bouligand structure [6]: (a) the Bouligand microstructure of homarus americanus, (b) alignment of carbon nanotubes via rotation of the electrodes, (c) surface optical microscopy images and SEM images of the cross-section of different alignment of carbon nanotubes, (d) 3D printed carbon nanotubes with Bouligand structure

3.3 仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)

仿生表面減阻，特別是仿鯊魚皮減阻，是眾多減阻方法中的一個(gè)熱點(diǎn)。鯊魚皮表面具有順流向溝槽，能夠高效地保存黏液于表面，從而抑制和延遲紊流的發(fā)生，減小水體對(duì)鯊魚游動(dòng)的阻力[25]。鯊魚的皮膚由固定在柔性真皮層中的堅(jiān)硬盾鱗構(gòu)成，這種軟硬結(jié)合的方式很難通過常規(guī)方法復(fù)制。Wen等[26]首次利用材料噴射3D打印技術(shù)在柔性薄膜上制備了仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)。首先通過顯微CT成像構(gòu)建基于灰鯖鯊盾鱗的三維模型，然后利用楊氏模量分別為1 MPa和1 GPa的柔性材料和剛性材料作為基底和盾鱗。所打印的盾鱗結(jié)構(gòu)被錨定在基底內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)更接近于真實(shí)鯊魚皮表面(圖3)。通過模擬鯊魚在行進(jìn)過程中遇到復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)在1.5 Hz垂蕩頻率下，3D打印仿鯊魚皮材料相對(duì)于水的移動(dòng)速率提高了6.6%，能量消耗減少5.9%。隨后該團(tuán)隊(duì)對(duì)仿鯊魚皮表面盾鱗結(jié)構(gòu)的形狀和間距與其流體動(dòng)力學(xué)功能之間的聯(lián)系做了進(jìn)一步的研究[27]。Lang等利用3D打印方法對(duì)海豚皮膚表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并研究了其結(jié)構(gòu)對(duì)邊界層流的影響[28]。除對(duì)鯊魚和海豚的流體動(dòng)力學(xué)研究之外，3D打印技術(shù)還被廣泛用于魚鱗結(jié)構(gòu)研究，例如一些古代魚類的互鎖鱗片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬鱗魚的鱗甲對(duì)身體的支撐作用以及海馬尾的抓取功能[29]。

圖3 3D打印仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)的表面掃描電鏡照片[26]，每個(gè)盾鱗的大小約為1.5 mmFig.3 SEM image of 3D printed shark skin[26], each denticle measures about 1.5 mm in length

4 仿生結(jié)構(gòu)化生物3D打印

生物醫(yī)療是3D打印的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，其又可以分為生物3D打印和非生物3D打印[30]。非生物打印是指只實(shí)現(xiàn)外觀、功能的打印，在3D醫(yī)學(xué)模型、空腔種植體、假體假肢和生物制藥等方面具有重要價(jià)值。生物3D打印，包括生物支架打印、細(xì)胞打印等，在特定位置不僅能打印天然和合成聚合物、藥物、生長(zhǎng)因子，還可以打印活細(xì)胞。理想的生物3D打印技術(shù)應(yīng)該可以直接打印出組織和器官，用于損傷部位的治療。目前可以引入活體細(xì)胞的3D打印技術(shù)主要包括材料噴射、材料擠出和光固化成型。除選擇合適的制備手段及打印材料，生物組織自身結(jié)構(gòu)的有效模擬也至關(guān)重要，制備具有仿生結(jié)構(gòu)的組織或器官可增強(qiáng)應(yīng)用的可靠性。

4.1 血管網(wǎng)絡(luò)

細(xì)胞在距離血管網(wǎng)100 μm以外處很難生存，因此模擬天然血管網(wǎng)絡(luò)的血管3D打印是生物器官3D打印的基礎(chǔ)。盡管骨、軟骨以及肌腱的個(gè)性化打印與移植已進(jìn)入了臨床階段，但是3D打印肝臟、腎臟和心臟等需要不間斷血流供應(yīng)的器官仍是一個(gè)難題[31]。天然血管直徑范圍跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從直徑4～30 mm的大動(dòng)脈和靜脈，到5～20 μm的毛細(xì)血管，它們共同組合成復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)。這種多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在體外構(gòu)筑具有很大難度。一般血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑手段可以分為以下2種：一種是將血管的結(jié)構(gòu)與其復(fù)雜的生物學(xué)功能分離開，簡(jiǎn)單地將血管作為流體輸送通道，利用分形和強(qiáng)制結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法構(gòu)造血管網(wǎng)[32, 33]；二是以醫(yī)學(xué)影像學(xué)作為基礎(chǔ)，通過顯微CT、心臟磁共振和超聲心動(dòng)圖等手段獲得真實(shí)血管系統(tǒng)的高分辨率三維影像，分離出需要重建和打印的部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[34]。血管的構(gòu)建主要基于材料擠出和光固化3D打印技術(shù)[35]。Hinton等[36]發(fā)明了利用明膠微粒組成的凝膠浴輔助支撐的3D打印方法。這種凝膠浴可被視為Bingham塑性流體，其在低剪切應(yīng)力下表現(xiàn)為彈性固體，當(dāng)剪切應(yīng)力高于臨界值時(shí)可以像粘性流體一樣流動(dòng)。當(dāng)3D打印擠出噴嘴在凝膠浴中移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力可使明膠顆粒流動(dòng)，而擠出的材料又可以被鎖定在其擠出的位置。利用這種辦法可以打印構(gòu)成低彈性模量的生物材料，構(gòu)造支化的動(dòng)脈結(jié)構(gòu)(圖4a)。由于生物3D打印精度的限制，通常打印的血管尺寸較大，直徑一般在毫米級(jí)左右。Meyer等[8]利用精度較高的雙光子聚合方法使打印出的血管結(jié)構(gòu)內(nèi)徑和壁厚降低到18 μm和3 μm。但是毛細(xì)血管的3D打印依然面臨艱巨挑戰(zhàn)。

圖4 凝膠浴輔助支撐3D打印(FRESH)制備的血管結(jié)構(gòu)[36](a)，TPP技術(shù)制備的血管結(jié)構(gòu)[8](b)Fig.4 An arterial tree prepared by FRESH printing[36](a), artificial capillary prepared by TPP[8](b)

4.2 漸變材料

在工程領(lǐng)域，復(fù)合材料的破壞通常都是從界面或界面附近發(fā)生的。為了解決這個(gè)問題，天然生物采取了在軸向上連續(xù)地改變物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)特征的方法，用以抵抗強(qiáng)自然力[37]。例如，貽貝通過控制膠原蛋白的組成使足絲的楊氏模量從靠近自身一端的50 MPa逐漸改變到遠(yuǎn)端的500 MPa，從而實(shí)現(xiàn)自身與石頭的穩(wěn)固連接[38]。這種漸變材料可以有效消除界面應(yīng)力，在自然界中被廣泛用于軟組織和剛性表面的連接。在人體中，不同組織的界面通常具有物理、生物化學(xué)、生物學(xué)特性以及細(xì)胞成分的梯度變化，例如骨-軟骨界面、骨-韌帶界面。為了模擬細(xì)胞真實(shí)微環(huán)境中的物理、化學(xué)和空間梯度，漸變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備成為組織工程中至關(guān)重要的一部分[39]。Zhang等以聚乙二醇(PEG)水凝膠作為軟骨相，β-磷酸三鈣(β-TCP)陶瓷支架為骨相，利用SLA技術(shù)制備了PEG/β-TCP兩相結(jié)構(gòu)的生物支架。通過改變界面處的孔隙率，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的融合方法，經(jīng)過界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化的界面，剪切強(qiáng)度得到了大幅的提升[40]。Luca等通過擠出聚乳酸、聚已內(nèi)酯和聚(氧化乙烯酯)/聚(對(duì)苯二甲酸丁二醇酯)(PEOT / PBT)構(gòu)建了同時(shí)具有浸潤(rùn)性和力學(xué)性能漸變的三維支架[41]。此外，3D打印還可以通過與凝膠澆筑[42]、電紡絲[43]等方法相結(jié)合，制備骨漸變界面。

5 功能性仿生3D打印

材料的仿生研究不僅僅局限于對(duì)生物材料成分、結(jié)構(gòu)的模仿，更期望能達(dá)到甚至超越天然生物材料獨(dú)特的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能和生物學(xué)性能。而對(duì)人類自身的模仿，尤其是作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器的皮膚和肌肉，一直是研究熱點(diǎn)之一。20世紀(jì)末以來，一系列包括形狀記憶合金、刺激響應(yīng)性聚合物、形狀記憶聚合物和電活性聚合物等智能材料快速發(fā)展。這些具有類似生物材料智能屬性的材料中，對(duì)外部刺激(光、電、磁、熱等)具有感知的一類材料，可以被作為傳感器；對(duì)外部條件發(fā)生變化可以做出響應(yīng)的材料，可以作為驅(qū)動(dòng)器。利用這些智能材料進(jìn)行3D打印，一方面可以使快速成型、個(gè)性化定制、一步制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高分辨率的傳感器和驅(qū)動(dòng)器成為可能，另一方面通過數(shù)學(xué)模型對(duì)材料的模擬，可以預(yù)測(cè)物體形狀、性能和功能的演變，有望實(shí)現(xiàn)自組裝、多功能和自修復(fù)功能[44]。

5.1 柔性傳感器

人類的皮膚可以看作一個(gè)超柔性的大面積電子電路，其對(duì)觸摸、溫度、濕度和許多其他環(huán)境刺激都有高敏感性[45]。隨著人們對(duì)可穿戴設(shè)備、人工智能和軟機(jī)器人技術(shù)的興趣與日俱增，研制能夠模擬人體皮膚感覺能力和機(jī)械性能的柔性傳感器具有極大前景。傳感能力對(duì)人造電子皮膚至關(guān)重要，測(cè)量觸覺刺激的方法主要基于電容機(jī)制和壓阻機(jī)制。電容式傳感器具有優(yōu)異的靈敏度，線性度，并且不受溫度影響。Lei等[46]制備了一種熱響應(yīng)水凝膠，利用其剪切變稀性質(zhì)進(jìn)行擠出，構(gòu)造格柵狀微結(jié)構(gòu)。在兩層水凝膠打印結(jié)構(gòu)之間加入連接金屬電極的聚乙烯介電層，從而構(gòu)成電容式傳感器。在最外層覆蓋聚乙烯薄膜對(duì)器件進(jìn)行保護(hù)后，即可作為多功能離子型人造皮膚。水凝膠具有較低的模量，從而保證了器件的柔順性，同時(shí)3D打印的微結(jié)構(gòu)可以在溫度和壓力等外部刺激下放大電容面積變化，使水凝膠基器件能夠感知人體溫度和人體運(yùn)動(dòng)。但是電容式傳感器容易受到電磁干擾，需要屏蔽來獲得高信噪比。Guo等[47]使用自制的雙z軸多材料3D打印裝置，制備了具有檢測(cè)和鑒別人體運(yùn)動(dòng)的能力的壓阻式觸覺傳感器，可以用作脈搏和手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。Lewis課題組提出了一種“嵌入式3D打印”方法，通過將含有導(dǎo)電碳油泥的粘彈性墨水直接在硅彈性體前驅(qū)體中擠出打印，其中粘彈性墨水作為傳感元件，彈性體材料在固化后作為基體，構(gòu)成一個(gè)高度集成的應(yīng)變傳感器[48]。這種應(yīng)變傳感器具有高度共形和可拉伸的特點(diǎn)，在手套形狀的容器中打印，可以原位制備出含有傳感器的手套，對(duì)人手部的活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)(圖5)。目前3D打印可以制備多種功能的柔性傳感器，且性能和常規(guī)制備的器件不相上下，甚至更加優(yōu)異[49]。為進(jìn)一步模擬真實(shí)皮膚功能，集合觸摸感應(yīng)、氣體感應(yīng)和生物感應(yīng)以及柔性、可拉伸性和自修復(fù)性能于一體的材料與器件有待進(jìn)一步開發(fā)。

圖5 嵌入應(yīng)變感應(yīng)器的手套(a)，不同的手勢(shì)可導(dǎo)致傳感器電阻的變化[48](b)Fig.5 A glove with embedded strain sensors produced by 3D printing (a), electrical resistance change as a function of time for strain sensors within the glove at different hand positions[48](b)

5.2 柔性驅(qū)動(dòng)器

與對(duì)皮膚的模擬相比，“人造肌肉”驅(qū)動(dòng)器的研究更加深入，對(duì)電、磁、化學(xué)、熱、光和壓力響應(yīng)的材料都可以作為驅(qū)動(dòng)器(圖6)[50]。為了模仿真實(shí)肌肉的功能，肌肉的一些突出特性，包括保持肌肉的能量密度、承受高應(yīng)變能力、儲(chǔ)存和恢復(fù)能量的能力、高功率重量比以及執(zhí)行自然運(yùn)動(dòng)模式的能力等，都是需要關(guān)注的問題。氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)器技術(shù)相對(duì)成熟，其反應(yīng)速率快、功率密度高，具有天然的柔軟度。利用彈性材料進(jìn)行打印，可以制備集成的氣體或液體回路，以及嵌入式接頭[51]。但是氣動(dòng)-液壓式驅(qū)動(dòng)器一般體積較大，并且受輔助系統(tǒng)的限制。電活性聚合物是一種能夠在電流、電壓及電場(chǎng)下產(chǎn)生各種形式力學(xué)響應(yīng)的智能材料。它可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，具有密度小、回彈力大和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有可能接近真正肌肉特性的一類材料[52]。包括介電彈性體、壓電聚合物、離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料等在內(nèi)的電活性聚合物都可以通過3D打印制備成柔性驅(qū)動(dòng)器[51]。此外，智能凝膠也是一類被廣泛應(yīng)用于3D打印人工肌肉的材料，其可在濕度、熱、pH、電、磁等刺激下驅(qū)動(dòng)，并且具有和自然組織環(huán)境相似的高水含量[53]。3D打印還可以實(shí)現(xiàn)其他材料在驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用。例如相變材料，特別是具有高膨脹應(yīng)變的氣-液轉(zhuǎn)變相變材料，雖具有優(yōu)異的電機(jī)械性能，但是利用傳統(tǒng)的方法很難保存和控制。而利用3D打印技術(shù)，Miriyev等將乙醇存儲(chǔ)于微氣泡中，分散到硅彈性體中，所制備材料可以承受高達(dá)900%的應(yīng)變[16]。

圖6 不同刺激響應(yīng)原理的小型驅(qū)動(dòng)器[50]Fig.6 Examples of small soft robotic systems actuated with various stimuli[50]

5.3 軟體機(jī)器人

軟體機(jī)器人是一種新型仿生連續(xù)體機(jī)器人，相較于傳統(tǒng)機(jī)器人的六重自由度(旋轉(zhuǎn)和平移各具有x,y,z軸)，軟體機(jī)器人所用柔性材料可以彎曲、扭曲、拉伸、壓縮、起皺，使之不局限于平面運(yùn)動(dòng)，具有無限自由度[54]。傳統(tǒng)機(jī)器人材料主要包括金屬和硬性塑料，其楊氏模量在109～1012Pa之間，而皮膚和肌肉等生物組織的模量相對(duì)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，大約在104～109Pa。因此，軟體機(jī)器人被定義為主要由模量接近于柔性生物物質(zhì)的材料構(gòu)成的具有自主行為能力的系統(tǒng)[55]。利用3D打印技術(shù)制備軟體機(jī)器人，可以將傳感器、驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)等集成在一起，消除多余的連接，通過對(duì)感知信息進(jìn)行處理，再把指令反饋給驅(qū)動(dòng)器做出精確的反應(yīng)，從而體現(xiàn)生物的特有屬性。Bartlett等[56]在Science雜志上報(bào)道了用多材料3D打印制備了燃料驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，其身體具有剛性的內(nèi)核和柔性的外層,以及梯度漸變模量。這種剛性梯度模量跨越3個(gè)數(shù)量級(jí)，使較硬的驅(qū)動(dòng)部件(控制器，電池等)和主體的柔性軀體具有良好的界面過渡。通過丁烷和氧氣的燃燒提供動(dòng)力，這種機(jī)器人能夠執(zhí)行高自由度跳躍。但是這種軟體機(jī)器人仍然局限于利用剛性電子器件來進(jìn)行控制。隨后，Wehner等[57]在Nature上首次報(bào)道了一個(gè)全軟體仿章魚機(jī)器人“Octobot”。該機(jī)器人是利用單組元推進(jìn)劑的氣壓型驅(qū)動(dòng)裝置，因?yàn)樵诖呋瘎┳饔孟聠谓M元推進(jìn)劑快速分解成氣體，所以不需要再連接電池或外部電源。機(jī)器人的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)嵌燃料池和催化反應(yīng)腔完全利用嵌入式3D打印技術(shù)在體內(nèi)成型(圖7)。“Octobot”的出現(xiàn)標(biāo)志了軟體機(jī)器人的重大突破，但是由于軟體機(jī)器人具有無限自由度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確控制難度非常高，因此仿生智能控制算法的研究同樣至關(guān)重要。

圖7 全軟體機(jī)器人“Octobot”的制備與結(jié)構(gòu)示意圖[57]Fig.7 Illustration of the printing process and structure of the fully soft robot “Octobot”[57]

6 結(jié) 語(yǔ)

生物材料具有精妙復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和多重智能功能，而3D打印技術(shù)的發(fā)展為模仿生物材料的結(jié)構(gòu)與功能提供了新的加工成型手段。基于材料噴射、材料擠出和光固化成型等3D打印技術(shù)，可以制備形式多樣的仿生結(jié)構(gòu)，例如貝殼的磚泥結(jié)構(gòu)、龍蝦殼的Bouligand結(jié)構(gòu)、取向增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和漸變結(jié)構(gòu)。通過選取合適的生物材料、活細(xì)胞等，可以直接在體外模擬真實(shí)形態(tài)的器官及血管網(wǎng)絡(luò)并打印用于組織工程?；?D打印高度集成化的特點(diǎn)，可以用于制備人造電子皮膚、肌肉乃至仿生機(jī)器人。

綜上所述，將仿生原理和3D打印技術(shù)結(jié)合，可以利用生物材料的設(shè)計(jì)原理指導(dǎo)先進(jìn)功能材料的精確高效制備，并且更加深入地理解生物材料的合成原則與方法。但是，利用3D打印手段達(dá)到與生物材料同等水平的性能仍然具有挑戰(zhàn)。首先，3D打印技術(shù)的精度還不夠高，例如利用材料噴射打印的仿鯊魚盾鱗尺寸是其生物原型的10倍以上，毛細(xì)血管的打印仍沒有突破；其次，可選用的材料較少，目前大量的研究基于光固化技術(shù)，但是光敏樹脂并非生物自身材料；再次，雖然通過磁場(chǎng)或電場(chǎng)可以控制填料在材料中的取向，但是精確控制材料局部的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的3D打印方法仍然欠缺。未來的研究方向應(yīng)該主要包括：① 開發(fā)可以精確構(gòu)造仿生物多級(jí)結(jié)構(gòu)及可調(diào)節(jié)局部物理、化學(xué)及微結(jié)構(gòu)的3D打印方法；② 拓展可選用的材料范圍，特別是智能材料和生物醫(yī)用材料；③ 利用3D打印研究生物材料結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系；④ 開發(fā)、建立仿生智能算法研究和可供仿生材料3D打印的數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件；⑤ 通過3D打印仿生材料，設(shè)計(jì)和研發(fā)下一代智能材料與器件。