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固，在醫(yī)學(xué)、工程和其他領(lǐng)域都有潛在的實際應(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。他實驗室目前的項目包括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）。

承壓之下更堅固的生物塑料

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

實驗室近期的一項杰出創(chuàng)新是開發(fā)了一種壓縮后強度更高的生物塑料，它在3D打印和壓縮后會按預(yù)期變形，但隨后會恢復(fù)到原始形狀——這次比以前更堅硬、更堅固。研究團隊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、有時甚至令人驚喜的功能。研究團隊成員安格斯·伯格說道：“感覺就像做飯一樣，只不過食材無限?！?/div>

△尼爾森的研究團隊成員包括博士后、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械工程教授盧卡斯·梅薩共同設(shè)計的晶格結(jié)構(gòu)，3D打印材料在受力時能夠更有效地分配能量，從而避免出現(xiàn)裂紋并削弱材料強度。Nelson實驗室的學(xué)生率先觀察到這種材料在受力時實際上變得更堅固、更堅硬。

尼爾森說：“我擁有一支非常優(yōu)秀的學(xué)生和博士后團隊，他們的觀察力非常出色。他們是優(yōu)秀的科學(xué)家，能夠注意到實驗中發(fā)生的有趣現(xiàn)象，并進(jìn)行更深入的研究。”

研究團隊對自強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)—性能的增強到在外太空軌道上生產(chǎn)藥物，Nelson的團隊正在重新定義新型材料 3D 打印的應(yīng)用場景。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間，在干燥狀態(tài)下也能穩(wěn)定保存六個月。這意味著我們可以把它們儲存起來，直到需要的時候再取出，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)。”

在談到未來美國宇航局任務(wù)的潛力時，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)的一個很酷的現(xiàn)象是，這些材料能夠長時間保持活性。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?！?/div>

這可能是一個崇高的目標(biāo)，但Nelson還有許多其他更貼近現(xiàn)實的目標(biāo)，包括未來利用植物蛋白質(zhì)代替動物蛋白質(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，所以我對此感到很興奮。這又是一個讓我們發(fā)揮想象力，探索現(xiàn)在和未來可能性的機會。”