3D打印新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泥的自我修復(fù)

來源：增材之光

據(jù)悉，來自劍橋大學(xué)工程系的英國研究人員正在研究建筑材料的新系統(tǒng)，在最近發(fā)表的“一種新型3D血管結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，利用墨累定律在水泥質(zhì)材料中進(jìn)行自我修復(fù)的研究成果”中概述了他們的研究結(jié)果。

一些最有趣的科學(xué)突破是在自然界中發(fā)現(xiàn)的，因為研究人員受到了許多不同特性的啟發(fā)，特別是在3D和4D打印方面，從鞋類收藏到可編程油墨再到可回收液體聚合物。然而，這項研究是獨(dú)特的，因為作者致力于開發(fā)一種修復(fù)水泥缺陷的系統(tǒng)。使用水泥基材料時，開裂是一個持續(xù)存在的問題，并且解決這種缺陷的能力有限。自我修復(fù)系統(tǒng)是一個持續(xù)的研究主題，因為在如此常用的材料中裂縫普遍存在。

雖然我們大多數(shù)人將“血管”一詞與人體等同，但它歸根結(jié)底是指物質(zhì)運(yùn)輸?shù)娜萜鳌１M管還有許多其他傳統(tǒng)方法可以創(chuàng)建與水泥有關(guān)的血管網(wǎng)絡(luò)，但在這項研究中，研究人員意識到，使用3D網(wǎng)格化通道可以實(shí)現(xiàn)“最大體積覆蓋”。

研究人員表示，由此形成的密集連接網(wǎng)絡(luò)為阻塞提供了冗余，并增加了表面的覆蓋范圍。但是，容器密度的增加可能會影響樣品的機(jī)械性能，而堵塞成為矩形彎曲隧道中的主要問題。為了最大程度地減少連接處的湍流，同時又使體積最大化 [14]按照墨累定律 [用于循環(huán)血容量轉(zhuǎn)移]，通過噴墨打印技術(shù)研究了細(xì)胞化水凝膠中的仿生血管結(jié)構(gòu)。

研究了1D（A–C）和2D（D–F）膠凝血管系統(tǒng)的示例（A）涂蠟的1D血管系統(tǒng)[8]，（B）涂有3.5毫米厚砂漿層的帶有保護(hù)性螺旋線的玻璃管[11]]，（C）與外部環(huán)境相連的單個管的試樣[9]，（D）具有單個無機(jī)磷酸鹽水泥（IPC）管 [16]，（E）由PLA和ABS打印的2D網(wǎng)絡(luò)布局 [7]，（F）具有PLA連接的2D網(wǎng)格聚氨酯網(wǎng)絡(luò)[13]，（G）由PLA制造的單個3D網(wǎng)絡(luò)[15]。

本研究中設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)在其自愈分布水平上模仿自然。研究團(tuán)隊使用在PLAUltimaker上3D打印設(shè)計，然后分析材料，并將其與傳統(tǒng)的1D和2D網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。最終，他們能夠證明該網(wǎng)絡(luò)可以有效地提供硅酸鈉作為治療劑，并且所有原始裂縫在28天后都可以“愈合”。研究人員使用以下方法評估每個系統(tǒng)的自我修復(fù)能力：
•機(jī)械性能恢復(fù)
•吸附性降低
•裂口閉合
•愈合體積

研究人員表示，遵循默里定律的仿生設(shè)計在提供用于自我修復(fù)的治療劑方面在未來具有巨大的潛力，并且該研究可以擴(kuò)展到其他治療劑。

不同內(nèi)血管結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗設(shè)置示意圖（a）1D系統(tǒng)，（b）2D系統(tǒng)和（c）3D系統(tǒng)。

這些網(wǎng)絡(luò)被打印成兩個獨(dú)立的部分，然后焊接在一起。

3D血管網(wǎng)絡(luò)的仿生設(shè)計；（A）遵循穆雷定律設(shè)計的模型；（B）模型中考慮的參數(shù)；（C）該模型中采用的流體動力學(xué)圖。

1D / 2D / 3D結(jié)構(gòu)（A，B，C）的設(shè)計模型以及最終制造結(jié)構(gòu)（D，E，F(xiàn)）的正視圖。

血管結(jié)構(gòu)既具有脆性斷裂反應(yīng)，又具有引起機(jī)械觸發(fā)所需的界面結(jié)合。

“1D和2D結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能恢復(fù)約為20％，3D血管網(wǎng)絡(luò)標(biāo)本的機(jī)械性能恢復(fù)約為34％，這歸因于自我修復(fù)。此外，與破裂對照樣品的值相比，包含1D，2D和3D血管網(wǎng)絡(luò)可導(dǎo)致吸附率分別降低25％，69％和77％。與1D系統(tǒng)相比，在2D血管水泥系統(tǒng)中觀察到裂縫愈合的增加，并且在3D血管水泥系統(tǒng)中幾乎所有的裂縫都減少了?！?br />
“通過掃描電鏡-能譜分析發(fā)現(xiàn)，碳酸氫鈉和二氧化硅混合凝膠作為愈合產(chǎn)物，因為硅酸鈉暴露于空氣中并與二氧化碳和水蒸氣反應(yīng)。通過CT掃描研究了已愈合的裂縫體積，并表明通過應(yīng)用3D血管結(jié)構(gòu)可以大大減少部分愈合，該血管結(jié)構(gòu)包含更多相連的子管，并能覆蓋較大的管子。3D血管網(wǎng)絡(luò)標(biāo)本的愈合性能的系統(tǒng)性改善歸因于該設(shè)計遵循了默里定律，因此擴(kuò)大了治療劑分布的范圍，同時減少了泵送所需的能量。”