華盛頓大學(xué)開發(fā)可降解3D打印生物塑料，受力狀態(tài)下更堅(jiān)固

2025年4月25日，南極熊獲悉，來自華盛頓大學(xué)的化學(xué)教授、NIST研究員阿爾沙基姆·尼爾森（Alshakim Nelson）正在開發(fā)一種新型生物3D打印材料，這種材料不僅可生物降解、可持續(xù)，而且在壓力下也更堅(jiān)固，在醫(yī)學(xué)、工程和其他領(lǐng)域都有潛在的實(shí)際應(yīng)用。

Nelson在IBM工作十年后，于2015年加入華盛頓大學(xué)，目前與工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究人員進(jìn)行跨學(xué)科合作。他實(shí)驗(yàn)室目前的項(xiàng)目包括3D打印支架，這種支架可以在體內(nèi)釋放抗炎化合物。這些治療材料可以保持活性超過一年，并可在貨架上保存六個(gè)月。

化學(xué)教授阿爾沙基姆·尼爾森（Alshakim Nelson）開發(fā)了可持續(xù)的3D打印材料，有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和工程等領(lǐng)域。攝影：胡安·羅德里格斯（Juan Rodriguez）。

承壓之下更堅(jiān)固的生物塑料

Nelson的實(shí)驗(yàn)室專注于3D打印背后的化學(xué)原理，自主研發(fā)出具有優(yōu)異機(jī)械性能的生物塑料——這是他們?cè)谑袌?chǎng)上找不到的。他說道：“我們需要一種既可3D打印、可生物降解，又具有良好機(jī)械性能的材料?！?/div>

實(shí)驗(yàn)室近期的一項(xiàng)杰出創(chuàng)新是開發(fā)了一種壓縮后強(qiáng)度更高的生物塑料，它在3D打印和壓縮后會(huì)按預(yù)期變形，但隨后會(huì)恢復(fù)到原始形狀——這次比以前更堅(jiān)硬、更堅(jiān)固。研究團(tuán)隊(duì)將定制的生物塑料與創(chuàng)新的打印技術(shù)相結(jié)合，以解鎖新的、有時(shí)甚至令人驚喜的功能。研究團(tuán)隊(duì)成員安格斯·伯格說道：“感覺就像做飯一樣，只不過食材無限?！?/div>

△尼爾森的研究團(tuán)隊(duì)成員包括博士后、研究生和本科生。圖片由丹尼斯·懷斯/大學(xué)攝影提供。

這種效果得益于他與機(jī)械工程教授盧卡斯·梅薩共同設(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)，3D打印材料在受力時(shí)能夠更有效地分配能量，從而避免出現(xiàn)裂紋并削弱材料強(qiáng)度。Nelson實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生率先觀察到這種材料在受力時(shí)實(shí)際上變得更堅(jiān)固、更堅(jiān)硬。

尼爾森說：“我擁有一支非常優(yōu)秀的學(xué)生和博士后團(tuán)隊(duì)，他們的觀察力非常出色。他們是優(yōu)秀的科學(xué)家，能夠注意到實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的有趣現(xiàn)象，并進(jìn)行更深入的研究?！?/div>

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)自強(qiáng)化材料的探索仍在進(jìn)行中，并可能在從制造到建筑到醫(yī)療保健等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生潛在的變革作用。

去太空甚至更遠(yuǎn)的地方？

從結(jié)構(gòu)—性能的增強(qiáng)到在外太空軌道上生產(chǎn)藥物，Nelson的團(tuán)隊(duì)正在重新定義新型材料 3D 打印的應(yīng)用場(chǎng)景。例如他們開發(fā)的3D打印材料，其結(jié)構(gòu)中融入了治療化合物，可用于醫(yī)療。Nelson舉了一個(gè)3D打印支架的例子，由于材料中的微生物，該支架在體內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生抗炎劑。

Nelson 說道：“我們發(fā)現(xiàn)的一件很酷的事情是，這些材料能夠長時(shí)間保持活性。它們可以持續(xù)生產(chǎn)所需的化合物一年甚至更長時(shí)間，在干燥狀態(tài)下也能穩(wěn)定保存六個(gè)月。這意味著我們可以把它們儲(chǔ)存起來，直到需要的時(shí)候再取出，放入培養(yǎng)基中，然后快速開始生產(chǎn)。我們最大的夢(mèng)想是考慮在更本地化的規(guī)模上利用它們進(jìn)行生產(chǎn)，并根據(jù)需要進(jìn)行小批量生產(chǎn)?！?/div>

在談到未來美國宇航局任務(wù)的潛力時(shí)，Nelson也表示這種生物生產(chǎn)可以在太空進(jìn)行制造。他說道：“我們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)很酷的現(xiàn)象是，這些材料能夠長時(shí)間保持活性。這為本地按需藥物生產(chǎn)打開了大門——即使在太空中也是如此。想象一下耗時(shí)近兩年的火星任務(wù)，你必須把所有東西都帶上。我們能用這些可打印的結(jié)構(gòu)來按需生產(chǎn)不同的治療化合物嗎？這種生物生產(chǎn)能在太空中進(jìn)行嗎？我認(rèn)為這是可能的。”

這可能是一個(gè)崇高的目標(biāo)，但Nelson還有許多其他更貼近現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)，包括未來利用植物蛋白質(zhì)代替動(dòng)物蛋白質(zhì)作為 3D 打印更可持續(xù)的可生物降解資源。Nelson 說：“我們最近發(fā)現(xiàn)，可以用轉(zhuǎn)基因水稻的蛋白質(zhì)進(jìn)行打印。它不僅性能優(yōu)良，還能提供新功能，所以我對(duì)此感到很興奮。這又是一個(gè)讓我們發(fā)揮想象力，探索現(xiàn)在和未來可能性的機(jī)會(huì)?！?/div>