探讨生物界的很多材料具有优异的力学性能
更新时间: 2021-07-29 16:33:57 查看次数: 356
生物界的很多材料具有优异的力学性能，大致可以分为两种：—种是以贝壳、角、喙等为代表的硬质材料，不同于人工制备的均质材料，得益于其独特的微观结构，如贝壳，其不仅具有较高的硬度，同时也表现出足够的軔性；另外一种则是以生物纤维、皮肤角质、胶原蛋白等为代表的软质材料，这些材料具有独特的弹性响应，为生物体提供了对身体其他组织的保护，起到了抗冲击等特殊的功能。
对于上述第二种性质的材料，随着与人体体表检测与监控的导电材料及电子设备开发和应用，越来越受到重视。广州3D打印尤其重视与人体皮肤相接触的部分，如能获得与皮肤相类似的力学响应，将会大大提升这类应用的舒适性。然而大部分人工合成的材料质地是均一的，其力学响应形式比较固定且与皮肤的力学响应相差较远；而如果完全按照仿生的角度，实现与生物材料相类似的微观结构，对于现有的材料制备手段而言是一项极难的挑战。
对于材料的力学响应，除了从材料本身的化学组成、微纳结构等进行调节，材料的宏观结构，如蜂窝以及类蜂窝的结构设计，亦可以实现对于其力学响应较大范围的调节，尤其对于有特殊形式的弹性响应。相关的结构设计在有弹性可拉伸需求的电子设备中十分常见。
如JuanPu等人Ml采用六边形蜂窝结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，实现了可拉伸超级电容器的制备；对于本身刚性的材料，采用“化直为曲”的结构可以较为方便地实现可拉伸的目的，如ItthiponJeerapan等人采用蛇形的图案连接而制备的传感器，类似的工作在ZhaoguoXue等人的综述中有较好的总结；在可拉伸的基础上，通过结构设计实现特殊力学响应形式的电子可穿戴设备是进一步的需求，如张一慧等人设计制备了Horseshoe结构，这种结构在可拉伸的基础上，可以实现拉伸时与人体皮肤相类似的J型曲线响应，并且通过结构几何参数的简单调整，能接近人体皮肤的力学响应。这种结构设计再辅以一定的功能性，可以成为极佳的可穿戴电子设备。
目前实现这种复杂结构的材料制备方法仍然较为局限。如在报道中采用光刻的方法，可以较为精确地实现较小尺寸的样品制备。然而其制作成本高，能应用的材料种类有限，对较大尺寸的样品制备较为困难。为了在结构设计的基础上实现一定的功能性，则需要借助多层不同材料的耦合，带来了更多的界面问题，工艺进一步复杂。
热塑性聚氨酯（IPU）是一种常见的弹性材料，具有出色的弹性、良好的加工性能、以及亲肤性，常被用于制作运动手环、雨衣、鞋垫等与人体有密切接触的物件。这里，我们通过在IPU基体中混入多壁碳纳米管，可以实现其良好的导电性。进一步将其制备成可用于FDM打印机的（TPU）网基导电复合材料线材。FDM打印的方法可以满足毫米甚至亚毫米精度的材料成型需求，在重新设计优化了打印路径的情况下，实现了对于Horseshoe结构的精确打印，其力学响应与报道中相一致，并且普通的FDM打印机的打印范围通常可以达到200mmX200mm，可覆盖人体皮肤较大的面积。