仿生材料的案例
四川大學鄒華維教授團隊《AFM》：空間極端環境用仿生可逆粘附材料
大自然帶給了材料學家們無限的設計靈感，從荷葉、竹、木等的微觀多級結構及特殊功能，到具有突出力學性能的貝殼珍珠母層、蜘蛛絲，以及具有水下超強粘附的貽貝蛋白，一系列高性能及功能化聚合物仿生材料受此啟發，相繼被研發并得到實際應用。壁虎、蜥蜴等動物腳趾因其可以在物體表面產生強粘附并可輕易快速脫附而受到了人們的廣泛關注。研究表明，這一獨特的可逆粘附能力主要依賴于動物腳趾表面精細的多級剛毛結構，并基于范德華力及毛細作用力等得以實現（圖1a）。受此可逆粘附原理啟發，過去二十年，研究人員重點圍繞物理結構設計制備了一系列性能優異的仿生可逆粘附材料，并在精密器件轉運、智能機器人、醫療等領域展現出廣闊的應用前景。由于仿生粘附材料展現出的可逆特性及范德華力普適性相互作用，其在空間微重力、真空環境及多種材質表面均能良好發揮其可逆粘附功能，因此在空間技術，如航天器及裝置在軌操作、艙內及艙外機器人行走策略、空間碎片以及在軌飛行物捕捉等領域展現出很好的應用前景。近年來，美、歐等研究人員圍繞這些應用展開了先期探索工作（圖1b）。然而，空間在軌高低溫及輻射等極端環境條件對聚合物基仿生粘附材料的使用性能將產生顯著影響，開發適用于空間環境的仿生可逆粘附材料，將對該類材料走向空間實際應用，促進在軌服務技術的發展和革新具有重要意義。
圖1 具有可逆粘附能力的生物微結構及其仿生材料空間應用示意。（a）不同尺度下壁虎腳趾表面微結構形貌（圖片來源：PNAS, 2005, 102 (2), 385-389）；（b）仿生可逆粘附材料用于空間站外部檢查機器人構想圖（圖片來源：A. Parness, etc., presented at AIAA SPACE Conf. and Expo.
展開 生物力學與仿生材料新進展！
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組劉增乾博士帶領研究團隊在金屬所“引進優秀學者”項目資助下，根據“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構及賦予其優異性能的關鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優化設計原則，進而將其應用于人造材料體系，通過仿生設計實現人造材料的性能優化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統闡明天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，闡明了梯度結構取向與再取向對力學性能的優化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
同時，該研究組首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開 北林郝翔CCS Chem：化學能驅動的非平衡態主客體仿生組裝材料
有別于傳統熱力學自組裝的方式，模擬這種化學能量驅動的耗散自組裝是真正構造仿生材料的基礎。
圖1. 化學能驅動的競爭型非平衡主客體系統策略示意圖
北京林業大學青年教師郝翔長期致力于化學能驅動的非平衡態系統材料研究，在前期相繼實現ATP能量驅動的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學能驅動的非平衡態流體的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發了一類ATP驅動的仿生“競爭”型非平衡態主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統能量分子-ATP雙重角色：化學能量單元和“耗散”型競爭客體，實現了ATP驅動的主客體非平衡態系統的建立，并成功將此策略運用于化學能驅動的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環糊精結構糖單元（β-CD），使其對能量分子ATP具有非常高的結合作用，結合常數達到106 M-1；而環糊精結構糖單元對通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結合常數只有104 M-1。利用模型化合物實驗可以發現，當ATP分子加入到β-CD/ADA中時，ATP會迅速破壞β-CD/ADA的結合而以“鳩占鵲巢”方式占據主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產物如ADP或者AMP卻無法實現對β-CD/ADA結合的破壞（圖1）。
展開 美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構
美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 
南理工傅佳駿教授、川大傅強教授/吳凱副研究員《Matter》：模仿蜻蜓翅膀的微結構，打造強而韌的可修復材料
更為重要的是，單邊缺口梁實驗證實，初始的可修復材料為脆性斷裂的材料，而制備的仿生復合材料去表現出韌性斷裂的特征，其斷裂韌性也提升了54.3倍；電鉆打孔實驗證實，可以輕易的仿生復合材料表明打孔，而初始的可修復材料則無法打孔，這也說明了兩者的斷裂特征迥異。對比實驗證實，作者制備的仿生復合材料的增強增韌效果遠高于目前報道的復合材料。
仿生復合材料的增強增韌機理研究
圖3 仿生復合材料的的斷裂SEM和有限元模擬實驗
作者通過SEM和有限元模擬實驗研究了仿生復合材料的外援增強增韌機理。對于初始的可修復聚合物缺口試樣，其裂紋沿缺口尖端直線增長，從而導致災難性的脆性斷裂行為；相反的，在仿生復合材料中，其主裂紋沿著曲線軌跡擴展延伸，保證裂紋難以直接穿透整個聚合物基體。仿生復合材料的裂紋演化過程包含多種的增韌機制，包括裂紋偏轉、界面分層、裂紋分支橋接和界面摩擦。有限元模擬實驗表明，對于初始的可修復聚合物材料，其單邊缺口梁實驗的最大應力集中在裂紋尖端；對于仿生復合材料，其最大的應力位于互聯的MXene骨架中，故其裂紋尖端的應力遠低于初始的可修復材料。
展開 中國科大俞書宏教授：仿盾皮魚魚鱗制備人造盔甲研究取得重要進展
研究人員以具有生物相容性的羥基磷灰石微納米纖維為組裝基元并結合天然高分子海藻酸鈉，發展了一種單向/多向刷涂與螺旋層積相結合的高效仿生組裝策略，成功制備出具有類自然盾皮魚鱗螺旋膠合板結構的宏觀三維體型復合材料。通過拉伸和彎曲加載測試、材料多尺度結構和微裂紋電鏡觀察以及有限元模擬等手段，研究團隊證實了仿生螺旋結構材料的強韌化機制和自然盾皮魚鱗高度類似，材料在承載時所產生的微裂紋平行于微纖維長軸方向進行延伸擴展，并且在不同取向的纖維層間呈現逐漸扭轉延伸的趨勢，最終形成螺旋狀的裂紋形態。這種由仿生螺旋結構所帶來的復雜裂紋擴展形態與常規纖維增強材料的類平面裂紋延伸形成了鮮明的對比，由于（仿生螺旋結構材料）在單位主裂紋長度上具有更大的破壞界面面積，因此具有更大的能量吸收亦即更為優異的損傷抵抗能力。
圖二：仿生設計和力學表征。（a-b）刷涂與層積結合的仿生組裝策略：借助于刷毛特殊的非對稱錐形結構產生的拉普拉斯壓差、刷毛有序滑動產生的剪切作用力以及基底上粘稠聚合物對微納米纖維的限位效應，包括羥基磷灰石微納米纖維、碳酸鈣晶須、硅酸鈣納米線和銀納米線在內的多種一維微納材料均可以實現高度有序地排布；（c）仿生螺旋膠合板微結構人工材料;（d）仿生結構材料與自然材料的性能對比；（e）仿生結構材料與羥基磷灰石基生物醫用材料的性能對比；（f）仿生結構材料與已有仿生材料和工程材料的性能對比。
力學實驗結果表明，由羥基磷灰石微納米纖維和海藻酸鈉所構筑的仿生螺旋結構復合材料，其彎曲強度達260 MPa，彎曲模量達16 GPa，斷裂韌性達9.5 MPa·m1/2，優于許多自然生物材料（如木頭、骨密質和牙釉質等）、人工仿生合成材料（如磷灰石基生物醫用材料和合成珍珠母等）和現有工程材料（如環氧樹脂、尼龍、碳化硅和氧化鋁基陶瓷等）。
展開 中科院蘭州化物所周峰研究員課題組：具有機械響應自剝離特性的仿生智能壁虎腳黏附材料
設計在濕環境下具有可逆黏附和摩擦調控特性的智能材料，一直是仿生科學和材料工程領域的重大挑戰。大自然中大部分生物能夠在不改變界面物理化學相互作用的情況下僅僅依靠黏附器官的動態機械形變就能實現快速可逆黏附和脫附，最典型的一個案例就是壁虎。壁虎腳趾在運動中的機械形變會導致其表面微納結構與基底接觸的狀態變化，從而由良好的結合狀態（強范德華力、高黏附力）通過剝離的裂紋擴展機制變為脫離狀態（弱范德華力、低黏附力）。這賦予了壁虎快速可逆可切換的摩擦黏附能力。目前，針對干、濕交變等復雜作業環境，開發具有壁虎腳機械剝離機制特性的仿生智能摩擦黏附材料迫在眉睫。
中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室材料表界面課題組多年來致力于仿生濕黏滑智能界面的設計與構筑。近日，該課題組成功制備得到具有機械響應自剝離特性的智能壁虎腳黏附材料。研究人員通過耦合表面微結構（蘑菇狀硅彈性體）、界面黏附化學（鄰苯二酚基濕黏附共聚物膠）和材料機械形變（響應性水凝膠），開發了一種對溫敏性仿生多層智能黏附器件（SPSA），動態機械變形誘發界面接觸狀態變化，進而實現了水下黏附可逆調控。
圖1. 基于機械響應剝離機制的仿生壁虎腳濕黏附智能器件作業演示圖
研究人員通過使用界面軟接觸黏附力儀測量系統原位表征了SPSA器件與基底表面的動態接觸過程，成功捕獲到接觸界面的裂紋擴展和剝離邊界演變過程（圖2）。通過黏附力測試與接觸力學分析，發現SPSA能夠在干態、濕態環境下通過本體材料的機械變形引發的剝離機制實現黏附力的可逆調控。并且，黏附力與形變曲率半徑的關系是0.5的標度律，且SPSA可在干態與濕態條件下連續可逆循環使用20次以上。
展開 上海科技大學凌盛杰課題組：計算機輔助設計動態響應生物納米復合材料
三元復合材料的動態響應過程
該研究的意義在于，通過計算機模擬來預測仿生材料機械性能，從而指導仿生材料結構組成的設計及優化，大量節約了時間及實驗成本。根據模擬結果，通過仿生自組裝的方式制備了具有優異機械性能的復合材料。隨后，進一步通過計算機模擬輔助計算，利用復合膜中組成成分梯度分布的特性，制備出可程序化設計的具有水驅動響應性的仿生器件。該工作通過理論模擬和實驗結合，指導新型仿生材料的合成，并啟發了相關材料功能拓展。研究報告發表于《先進材料》雜志 。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.201802306
來源：高分子科學前沿
展開 中科大Science子刊：輕質高強、防腐防火人工木材！
（A）樹脂聚合物的混合溶液；（B）取向冷凍和干燥后具有取向孔道結構的聚合物干膠；（C）固化后的樹脂基仿生木材；（D）酚醛樹脂基（上）和密胺樹脂基（下）仿生木材實物照片
圖2.仿生人工木材的照片、結構和力學性能。（A）酚醛樹脂基人工木材與微觀結構；（B）密胺樹脂基人工木材與微觀結構；（C）人工木材的力學性能與其他工程材料對比圖。
與天然木材相比，仿生人工木材最大的優勢在于其耐腐蝕性、隔熱和防火性能。研究中，由于選用熱固樹脂材料作為基體材料，所制備的仿生人工木材具有很好的防水、耐酸腐蝕的特點，在水和硫酸溶液中浸泡30天，其力學強度均沒有衰減。得益于其取向孔道結構和孔壁中復合的納米材料，與石墨烯復合的人工木材具有很好的徑向（垂直于孔道方向）隔熱效果，最低熱導率可達20.8 mW/mK（毫瓦每米每開爾文）。考慮到人工木材的高比強度（壓縮強度/密度），這種人工木材比其他工程材料和氣凝膠材料具有更好的實用性。
易燃性是天然木材在實際應用中面臨的最大問題，而防火阻燃則是人工木材最大的優點，通過復合不同的納米材料可以進一步提高其防火隔熱性能。這種人工木材具有很好的防火性能，在火焰引燃后能夠迅速自熄滅，這正是天然木材無法克服的缺點（圖3）。
圖3.人工木材的防火性能和巴爾杉木的易燃性對比。（a）CMF人工木材；（b）CPF人工木材；（c）CPF/GO復合木材；（d）巴爾杉木。
作為新型的仿生工程材料，其多功能性優于傳統的工程材料，這類人工木材有望代替天然木材，實現在苛刻或極端條件下的應用。此外，這種合成方法為制備和加工一系列高性能仿生工程材料提供了新思路，其功能的可設計性等優點將有助于拓寬該方法和制備的材料在多種技術領域中的應用。
展開 寧波材料所在非對稱仿生智能水凝膠驅動領域取得系列進展
圖2 （A）具有復雜驅動和智能變色協同功能的水凝膠“仿生章魚”示意圖；（B）“仿生章魚”在外界環境刺激下的形變-色變協同過程；（C）“仿生章魚”的可逆復原過程
課題組關于智能水凝膠復雜驅動及其與其他智能功能協同的一系列研究，為制備新型的智能水凝膠提供了新思路，推動了智能及仿生系統向更高的智能級別邁進，具有重要的科學意義和巨大的潛在應用價值。
以上工作得到了國家自然科學基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創新促進會的支持（2017337）。
來源：寧波材料所
展開 ：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
自然界中，很多生物體的軟組織或器官進化出了具有力學模量動態可調控特征的先進機制，可實現界面接觸狀態的動態轉變，以滿足運動過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應該很難抓住它。事實上，在鯰魚處于平靜狀態時，我們仍然能夠很容易地用手抓住它。然而，一旦鯰魚發生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時，我們會感觸到魚皮表面進入了一種硬化和超滑的狀態；這主要是因為鯰魚受到外界刺激時，肌肉系統應激發生了快速硬化，導致手掌和魚皮表面接觸點大幅度減小，摩擦力顯著降低。
最近，受鯰魚肌肉硬化觸發的潤滑轉變行為啟發，中科院蘭州化學物理研究所周峰/麻拴紅團隊，報告了一種新型的模量自適應潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復滑動摩擦測試方式驗證了制備材料的智能潤滑調控行為。低溫條件下，材料處于軟質凝膠態（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態，滑動剪切仍然會引起材料的嚴重彈性畸變，此時摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。
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師法自然，仿生技術是如何改變世界的？
從技術的角度，它是仿生生物學，物理學和計算機技術的集合。該領域正創造出許多激動人心，富有創造力的科技成果，例如新型材料與新制造技術，它們能高效地制造出更為耐用的產品。
研究人員正密切關注生物融合領域，希望為解決科學問題尋找更加高效，多樣和獨創的方式。到2030年，全球人口預計將增至85億，其中10億人將晉身中產階段，對資源的需求愈發強烈。這些需求都與一個問題緊密相連——可持續發展。對可持續發展的擔憂迫使科學家要盡快尋找到新時代能源利用，資源消耗以及制品生產等問題的方法。以下我們將介紹利用生物融合改造世界的例子。
仿生制造工藝
未來，資源消耗或許將趕不上需求增長的速度，因此新的生產工藝，材料的理化特性，采用的科學原理，將是我們關注的重點。新的工藝鼓勵利用定制化，甚至個人化的材料制造不盡相同的產品。好比利用樹木的纖維素制成一根新的樹枝，樹枝因此獲得了柔韌性。顯然，它和同一棵樹上的其它樹枝不同。盡管來源都是同一棵樹，但根據不同的取材位置，它們的機械強度也會有所差異。
在未來，只需對材料“做加法”，進行修飾，就能控制生產流程，減少污染物的排放。不必額外取材，移花接木，更不必刪繁就簡，我們就可以為材料賦予所需的性質。
仿生材料學
仿生材料是一類模仿生物與天然材料的結構，性質與功能的合成材料。例如能模擬光合作用，吸收光能的光學材料；模擬貝母結構的復合物；以及模仿水母運動的機器人。隨著3D打印技術的興起，科學家通過大自然獲取靈感對新材料進行設計，從而取代已有材料，開發新的制造工藝。
美國國家學術出版社一篇名為《滿足21世紀國防需求而進行的材料研究》的文章曾說到，“生物有機體內大量的小分子，微結構與次級系統都具有令人矚目的材料特性，而這些都是現今非生物合成工藝所無法制造的。因此，有機體內各級層次以及天然合成路線都能作為制造增強合成材料的基礎。”
展開 用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化
劉毅 金峰
清華大學水利水電工程系
摘要:為了改善疊層復合材料方板孔周應力分布,采用一種無梯度仿生技術——固定網格漸進優化方法，建立了等限制Tsai-Hill準則——即使孔周的限制Tsail-Hill值更加均勻，來求解切孔形狀優化問題。用各向同性材料方板在二軸拉力荷載下單孔形狀優化的例子驗證了方法的正確性。研究了按照[+/-45度/0度/90度]對稱擱置的碳纖維/環氧樹脂材料準各向同性疊層復合材料方板受單位和拉減荷載的例子。優化后的控形在Tsail-Hill強度值的均勻度上比正方形開孔有了顯著的改善，計算結果比傳統的漸進優化方法更精確和更光滑。
關鍵詞：疊層復合材料，固定網格，漸進優化方法，形狀優化
內容簡介：
1 基于等限制Tsail-Hill值準則的FG ESO方法
2 本文方法驗證
3 準各向同性層合方板開孔形狀優化
3.1 工況 1
3.2 工況 2
4 總結
用無梯度仿生技術對疊層復合材料方板開孔形狀優化.pdf
展開 受“墨魚”仿生結構啟發制備具有優異熱管理性電磁屏蔽的復合材料
此外，EMI屏蔽功能材料吸收電磁波并將其轉化為熱量，這也會影響電子設備的工作溫度。因此，迫切需要實現具有優異熱管理和電磁干擾屏蔽效果的雙功能材料。
數十億年來，生物進化出了復雜的功能系統，給人類留下了許多值得學習的場景。然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
02
成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。
展開 3D打印新生物材料有助于骨骼修復再生
骨組織工程(BTE)是材料科學和生物工程領域的一個新興領域，研究人員致力于設計一種理想的仿生材料，優化當前的骨骼輔助修復手段。盡管目前還沒有實驗成果能從實驗臺上轉移到臨床領域，但在結合了各類尖端技術的研究中，已經出現不少令業內人士興奮的新方法。從實驗室的生物制造過程來看，細胞、蛋白質、生物成分和生物材料的相互作用，可以實現工業化規模的再生醫學材料制造。
傷筋動骨還要一百天？3D打印新生物材料有助于骨骼修復再生
德累斯頓大學(TU Dresden)醫學院轉化骨、關節和軟組織研究中心(Centre for Translational Bone，簡稱CBT)的研究人員在《生物制造》(Biofabrication)雜志上撰文指出，他們研發了一種磷酸鈣接合劑配方，通過將活的生物細胞封裝在3D打印BTE材料的生物墨水中，建立類似于基質的支架。研究人員最初提出的制造方案，主要方向是為細胞在糊狀磷酸鈣骨接合劑(CPC)中存活提供最佳條件，隨后，他們又提出了一種用于骨發育和軟骨發育的軟骨組織移植模型。
制造仿生材料是高度復雜的工程，細胞和細胞外基質復雜的特性，使其天然難以使用現有技術再現。因此，組織工程的主要目標是，開發功能相似的結構和類似于組織或器官的生物/化學成分。由于生物礦化材料更適合設計骨骼模擬基質，格林斯基(Gelinsky)和他的同事們使用了一種多通道3D打印技術，將自定CPC與間充質干細胞生物墨水結合起來。這種含有人類細胞的生物墨水是用海藻酸酯甲基纖維素(alg/mc)混合制成的，由同組研究人員早前研發。
總的來說，新型生物材料包括可標繪CPC、載有細胞的生物墨水和納米晶羥基磷灰石(HAp)，在3D打印生物支架生物淋溶器中通過多通道擠壓，制成高剛度、骨狀礦物結構的支架以支持細胞生長。
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