3D打印新系统实现水泥的自我修复

来源：增材之光

据悉，来自剑桥大学工程系的英国研究人员正在研究建筑材料的新系统，在最近发表的“一种新型3D血管结构仿生设计，利用墨累定律在水泥质材料中进行自我修复的研究成果”中概述了他们的研究结果。

一些最有趣的科学突破是在自然界中发现的，因为研究人员受到了许多不同特性的启发，特别是在3D和4D打印方面，从鞋类收藏到可编程油墨再到可回收液体聚合物。然而，这项研究是独特的，因为作者致力于开发一种修复水泥缺陷的系统。使用水泥基材料时，开裂是一个持续存在的问题，并且解决这种缺陷的能力有限。自我修复系统是一个持续的研究主题，因为在如此常用的材料中裂缝普遍存在。

虽然我们大多数人将“血管”一词与人体等同，但它归根结底是指物质运输的容器。尽管还有许多其他传统方法可以创建与水泥有关的血管网络，但在这项研究中，研究人员意识到，使用3D网格化通道可以实现“最大体积覆盖”。

研究人员表示，由此形成的密集连接网络为阻塞提供了冗余，并增加了表面的覆盖范围。但是，容器密度的增加可能会影响样品的机械性能，而堵塞成为矩形弯曲隧道中的主要问题。为了最大程度地减少连接处的湍流，同时又使体积最大化 [14]按照墨累定律 [用于循环血容量转移]，通过喷墨打印技术研究了细胞化水凝胶中的仿生血管结构。

研究了1D（A–C）和2D（D–F）胶凝血管系统的示例（A）涂蜡的1D血管系统[8]，（B）涂有3.5毫米厚砂浆层的带有保护性螺旋线的玻璃管[11]]，（C）与外部环境相连的单个管的试样[9]，（D）具有单个无机磷酸盐水泥（IPC）管 [16]，（E）由PLA和ABS打印的2D网络布局 [7]，（F）具有PLA连接的2D网格聚氨酯网络[13]，（G）由PLA制造的单个3D网络[15]。

本研究中设计的网络在其自愈分布水平上模仿自然。研究团队使用在PLAUltimaker上3D打印设计，然后分析材料，并将其与传统的1D和2D网络进行比较。最终，他们能够证明该网络可以有效地提供硅酸钠作为治疗剂，并且所有原始裂缝在28天后都可以“愈合”。研究人员使用以下方法评估每个系统的自我修复能力：
•机械性能恢复
•吸附性降低
•裂口闭合
•愈合体积

研究人员表示，遵循默里定律的仿生设计在提供用于自我修复的治疗剂方面在未来具有巨大的潜力，并且该研究可以扩展到其他治疗剂。

不同内血管结构的四点弯曲实验设置示意图（a）1D系统，（b）2D系统和（c）3D系统。

这些网络被打印成两个独立的部分，然后焊接在一起。

3D血管网络的仿生设计；（A）遵循穆雷定律设计的模型；（B）模型中考虑的参数；（C）该模型中采用的流体动力学图。

1D / 2D / 3D结构（A，B，C）的设计模型以及最终制造结构（D，E，F）的正视图。

血管结构既具有脆性断裂反应，又具有引起机械触发所需的界面结合。

“1D和2D结构的机械性能恢复约为20％，3D血管网络标本的机械性能恢复约为34％，这归因于自我修复。此外，与破裂对照样品的值相比，包含1D，2D和3D血管网络可导致吸附率分别降低25％，69％和77％。与1D系统相比，在2D血管水泥系统中观察到裂缝愈合的增加，并且在3D血管水泥系统中几乎所有的裂缝都减少了。”

“通过扫描电镜-能谱分析发现，碳酸氢钠和二氧化硅混合凝胶作为愈合产物，因为硅酸钠暴露于空气中并与二氧化碳和水蒸气反应。通过CT扫描研究了已愈合的裂缝体积，并表明通过应用3D血管结构可以大大减少部分愈合，该血管结构包含更多相连的子管，并能覆盖较大的管子。3D血管网络标本的愈合性能的系统性改善归因于该设计遵循了默里定律，因此扩大了治疗剂分布的范围，同时减少了泵送所需的能量。”