3D打印材料模拟生物组织

生物组织经过数千年的进化，它们的特定功能得到了完美的优化。取软骨作为一个例子。它是一种柔顺的、有弹性的组织，柔软到足以缓冲关节，但又足够强大，能够抵抗压缩，并承受我们身体的巨大负荷:这是跑步、跳跃和日常磨损的关键。

创造真正符合生物组织特性和行为的合成替代品并非易事。但科罗拉多大学丹佛分校的科学家们，由机械工程师教授Chris Yakacki博士领导，是第一个使用液晶弹性体(LCEs) 3D打印复杂的多孔晶格结构，创造出最终可以模仿软骨和其他生物组织的设备。科罗拉多大学丹佛分校的研究团队包括余凯教授、博士后研究员Devesh Mistry、博士和博士生Nicholas Traugutt，以及来自中国南方科技大学的科学家。

LCEs制造的革命

Yakacki在科罗拉多大学丹佛分校的智能材料和生物力学(SMAB)实验室工作，他从2012年开始与LCEs合作。这种柔软的多功能材料以其弹性和非凡的耗能能力而闻名。2018年，Yakacki获得了美国国家科学基金会职业奖，革新了LCEs的制造能力，并获得了几轮资金，将其开发为足球头盔的减震器。即使在那时，他也知道它的应用可以走得更远。“每个人都听说过液晶，因为你会盯着手机屏幕看，”Yakacki说。“你可能听说过液晶聚合物，因为这正是凯夫拉尔。我们面临的挑战是将它们制成软聚合物，比如弹性体，用作减震器。这就是你往下看的复杂层次。”

LCEs很难操作。到目前为止，大多数研究人员可以创造出具有最小细节的大型物体，也可以在实际的微观结构中创造出高细节的物体。但与手机屏幕一样，高分辨率的大型设备才是未来的发展方向。Yakacki和他的团队使用的化学品和印刷工艺将难度降低到几乎为零。

用一盏灯照射蜂蜜状的树脂

在他们的研究中，Yakacki和他的团队探索了一个新利18官方这种方法被称为数字光处理(DLP)。该团队开发了一种类似蜂蜜的LC树脂，当紫外线照射时，固化在一系列的光致聚合物薄层中形成新的键。最后固化的树脂形成柔软、坚固、柔顺的弹性体。当打印成类似于蜂巢的晶格结构时，它就开始模仿软骨了。

该团队打印了几个结构，包括一个微小的、细致的莲花和一个脊柱融合笼的原型，创造了最大的、最详细的LCE设备。树脂和印刷工艺的结合也导致了12倍的速率依赖性和高达27倍的应变能耗散，相比之下，用商业上可获得的光固化弹性体树脂印刷。

未来，这种结构将有多种应用，比如减震足球头盔泡沫，甚至是脚趾的小型生物医学植入物。Yakacki最兴奋的是它在脊柱上的可能性。“脊椎充满了挑战，这是一个很难解决的问题，”Yakacki说。“人们尝试过合成脊髓组织盘，但效果不佳。有了3D打新利18官方印技术，以及我们从中获得的高分辨率，你就可以精确地匹配一个人的解剖结构。也许有一天，我们能够培养细胞来固定脊柱，但现在，我们可以在下一代材料上向前迈进一步。这就是我们想要去的地方。”