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国际金属加工网 2018年06月28日

海洋中最常见的八爪鱼成为来自美国新罕布什尔大学的两位研究人员对新型3D打印材料的灵感来源。作为头足类家族的成员,章鱼,鱿鱼和墨鱼作为海洋中的伪装大师,可以瞬时转化自身的颜色用以适应周围环境。这是一种令人难以置信的伪装,它可以让这些深海生物在躲避掠食者以及更容易猎食猎物。

图中画圈处就是八爪鱼的变色

目前来自新罕布什尔大学机械工程系的教授姜云耀教授和YaningLi用了大量时间来研究这种水生动物,并着眼于人工再造它们。首先,我们应该仔细研究这种伪装机制的运作方式,因为它存在于自然界。被称为伪装的水下主人,头足类动物由于其皮肤中高度敏感的色素体器官而具有惊人的伪装能力。色素细胞器官的机制围绕着一个含色素的单一色素细胞,与4至24个径向排列的肌纤维结合在一起。

素细胞快速变化从而有效地转移皮肤色素

当章鱼肌肉收缩时,无论是逃离危险境地还是抓捕猎物,该生物的色素细胞都会快速的变化,从而有效地转移皮肤色素。除了基本的颜色变化之外,头足类动物还可以通过选择性地和顺序地扩大和缩小不同组的色素细胞,在伪装能力方面具有战略意义,从而实现跨越很大范围的颜色转换。用外行人的话来说,章鱼不仅能迅速改变颜色,它也可以有条不紊地与周围环境相匹配。

受到这种自然奇观的启发,研究人员开始通过多种材料的3D打印方式开发自己的人造色素。尽管章鱼使用他们的色素能力主要用于色素转运,但新罕布什尔大学的教授们试图通过他们的工作带来戏剧性的变化和独特的顺序开放机制。拉普拉斯效应的科学概念是实现成功结果的关键,它允许材料在朝不同方向拉伸时沿一个方向扩展。通过在两个不同的方向上调整它们的手性几何形状,他们可以设计一种机制,仅在一个方向上加载时,可以使不同大小的单元顺序打开。这意味着人工设计的单元格可以以不同的排序模式打开,并通过几何和材料的组合进行调整。

拉普拉斯效应说明

作为一种有价值的新设计理念,研究人员的创新可能会对我们用于促进药物输送和颜色变化的智能超材料产生严重影响。至少可以说,潜在的应用很多。通过利用这些3D打印的色素,生物医学支架,绷带,药物储存器和支架可以设计得更加有效,以适应佩戴者的身体。除了智能响应复合材料,执行器和传感器以及可拉伸电子器件等领域外,可折叠或可展开器件的扩展领域也可以从创新中受益。不仅可以在动物身上实验,人体皮肤也可以进行3D打印。

目前3D打印正在尝试不同的研究领域,人体皮肤3D打印就是其中之一。3D打印的皮肤不仅在制药和化妆品检测方面具有价值,还可以为烧伤或事故受害者提供皮肤移植物来改变身体状况。目前工程皮肤构造已被用于这些方向,但它们不具有天然皮肤的许多特征,如毛囊,汗腺和色素沉着。

3D打印人体皮肤可实现自然色素沉着

 

就像章鱼的皮肤一样,3D打印人体皮肤可实现自然色素沉着,新加坡研究所(SIMTECH)和南洋理工大学新加坡中心3D打印(SC3DP)已经开发出,有色人体皮肤结构的3D生物打印。研究小组使用生物打印技术来控制黑色素产生的皮肤细胞或黑色素细胞在仿生组织基质上的分布,从而产生类似于真人皮肤的色素沉着的皮肤。

3D打印技术是精确沉积生物材料和活细胞以制造仿生皮肤的极好平台,具有很高的可重复性,现在看不到3D打印的皮肤具有均匀的皮肤色素沉着。研究人员使用三种不同类型的皮肤细胞:黑色素细胞,角质形成细胞和成纤维细胞,以及两步生物打印方法,称为“按需滴落”。

3D打印人体皮肤没有毛囊、汗腺和色素沉着

 

“两步生物打印策略包括制造皮肤的真皮区域,以及表皮细胞(例如角质形成细胞和黑素细胞)在仿生皮肤构建体上的预定义位置处的沉积,创造3D体外着色的人体皮肤构造,研究发现3D打印的皮肤结构与使用手工铸造方法制造的皮肤结构进行比较时,两种制造方法,真皮区域顶部的细胞分布和真皮区域内的微结构之间的两个明显区别。与手工浇铸方法相比,两步生物打印策略能够以高度可控的方式实现打印单元的标准化分布。

人类的皮肤颜色有着无数的变化,为什么很多女性很难找到完美匹配肤色的化妆品。如果这些研究人员能够创造像天然皮肤那样的色素,那么对于那些需要皮肤移植的人来说,这将是一大喜讯。皮肤移植可以挽救生命,也是愈合心灵创伤的关键,但从化妆品的角度来看,工程皮肤移植仍然有很多缺失。患者自然需要像皮肤一样的新皮肤。


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