增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

作 者：帥詞俊、李德勝、姚雄、李霞、高成德（中南大學(xué)）
來源：極端制造

作為一類新穎的結(jié)構(gòu)/材料特征，異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由具有顯著不同理化特性的異質(zhì)區(qū)組成。異質(zhì)區(qū)構(gòu)建的獨(dú)特界面、穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，及其交互耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，使其具有傳統(tǒng)均質(zhì)材料/單一結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)的卓越力學(xué)性能和生物功能。異質(zhì)結(jié)構(gòu)可作為一種很有前途的生物醫(yī)用材料，滿足個(gè)體患者的定制化和功能復(fù)雜的多樣性需求。然而，開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在于如何精準(zhǔn)地控制晶體/相的演變，以及成分和結(jié)構(gòu)的分布/比例。作為一種先進(jìn)制造技術(shù)，增材制造的快速冷卻、逐層堆積和多次熱循環(huán)的特性，為調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能提供了可行性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜幾何形狀部件的近凈成形。由此可見，增材制造在定制結(jié)構(gòu)、協(xié)同制造方面顯示出獨(dú)特的靈活性，為開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料提供無限可能。近期，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、極端服役性能精準(zhǔn)制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)浽~俊教授、高成德副教授團(tuán)隊(duì)在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用》論文，為推動(dòng)增材制造在高性能異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了科學(xué)指導(dǎo)和研究借鑒。該論文首先提出了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征、材料體系，并從力學(xué)性能、生物相容性、生物降解性、抗菌性能、磁致伸縮性能等方面重點(diǎn)分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)；然后，從工藝特點(diǎn)與成型優(yōu)勢出發(fā)，討論了增材制造開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)生物材料的研究成果與現(xiàn)有挑戰(zhàn)，特別分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在生物支架、血管、傳感器和生物檢測等生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用價(jià)值；最后，作者還提出了增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的未來研究方向和突破點(diǎn)，及其在預(yù)防感染和藥物輸送方面的應(yīng)用前景。

亮  點(diǎn)
本文重點(diǎn)分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和生物學(xué)性能等方面的協(xié)同效應(yīng)及其功能機(jī)制；
本文從成分-結(jié)構(gòu)-性能出發(fā)，系統(tǒng)闡述了增材制造在異質(zhì)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)和主要挑戰(zhàn)；
本文分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，尤其聚焦于生物支架、血管、生物傳感器和生物檢測等方面。

圖1 增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

研究背景

長期以來，器官修復(fù)、替代甚至再生一直是移植醫(yī)學(xué)所面臨的主要挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)支架、血管化組織、傳感器等植入物，以實(shí)現(xiàn)缺損器官的功能替代的目標(biāo)，已迫在眉睫。人體組織和器官的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度極高，同時(shí)具備多樣化的功能特性。因此，生物支架應(yīng)具備適當(dāng)?shù)纳�物功能和納米/微米級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)復(fù)雜器官的缺損，從而形成有利的結(jié)合位點(diǎn)，積極調(diào)節(jié)和控制組織細(xì)胞的行為，同時(shí)與宿主細(xì)胞相互作用。此外，生物支架應(yīng)具有類似天然器官的宏觀/微觀結(jié)構(gòu)，能為各種人體細(xì)胞和組織的生長提供空間和環(huán)境，同時(shí)也可作為生長因子的載體。這些特點(diǎn)對具有多種性能特征的生物植入物的多結(jié)構(gòu)、多材料和先進(jìn)制造技術(shù)提出了極高的要求。然而，目前開發(fā)的生物植入物都是由單一或均質(zhì)材料組成，難以滿足多性能特征的需求；另一個(gè)關(guān)鍵問題是其結(jié)構(gòu)單一，與復(fù)雜人體器官的生物和力學(xué)性能難以匹配，例如引發(fā)“應(yīng)力屏蔽”、炎癥、細(xì)胞凋亡和人體組織損傷。因此，迫切需要開發(fā)一類新穎材料/結(jié)構(gòu)，以滿足生物植入物的嚴(yán)格要求。

近年來，異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，為植入物的開發(fā)提供了巨大潛力與機(jī)遇。異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出在區(qū)域之間有明顯材料/結(jié)構(gòu)上差異的特征，通常以宏觀/微觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性（梯度、片狀、層狀、諧波等）、晶體異質(zhì)性（方向、大小等）或成分異質(zhì)性（金屬、高分子、陶瓷等）的形式呈現(xiàn)。正因如此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料通常呈現(xiàn)出多樣性，包括優(yōu)良的生物相容性、抗菌性、可降解性、磁致伸縮性、力學(xué)性能和其他功能特性等。這不僅推動(dòng)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在航空航天、能源儲(chǔ)存和精密電子方面的應(yīng)用，也促進(jìn)了其在改進(jìn)生物植入物（骨骼、牙齒、組織、血管等）性能方面的發(fā)展。然而，在材料中構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在于如何精確控制晶體/相的演變，以及異質(zhì)區(qū)的成分和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。因此，越來越多的研究側(cè)重于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工藝技術(shù)的開發(fā)，其中，增材制造技術(shù)因其高度的靈活性而備受關(guān)注。增材制造，即3D打印技術(shù)，通過燒結(jié)、熔化、光固化和噴涂等方式，將特定的金屬、非金屬及其復(fù)合材料逐層堆疊，形成個(gè)性化的、復(fù)雜化的、精密化的產(chǎn)品。增材制造能夠在多個(gè)尺度上對結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行戰(zhàn)略性調(diào)控，這為開發(fā)具有前所未有的特性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)較有潛力的思路。近年來，增材制造被越來越多地應(yīng)用于開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的植入物，包括生物支架、生物傳感器、血管、組織工程、生物檢測和生物成像等。生物植入物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征和性能可以通過各種可定制的參數(shù)和設(shè)計(jì)方案來控制，主要3D打印的原材料、打印路徑、溫度、速度、尺寸等。因此，關(guān)于增材制造為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的開發(fā)及其在生物領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展、挑戰(zhàn)和未來發(fā)展，作者進(jìn)行了綜述和討論。

最新進(jìn)展

由宏觀/微觀結(jié)構(gòu)、晶體、相或成分的異質(zhì)區(qū)引發(fā)的相互耦合作用，賦予材料力學(xué)性能、理化性能和生物功能特性間的協(xié)同效應(yīng)，使得材料本身具備了傳統(tǒng)同質(zhì)材料/結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的尖端性能。作者首先概述了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，包括作用和機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征、材料體系以及協(xié)同效應(yīng)。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制

異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有出色的功能特性，包括力學(xué)性能、生物相容性、抗菌性、耐腐蝕性、生物降解性等。例如，通過控制納米耦合形成島狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在高熵合金中實(shí)現(xiàn)了力學(xué)和生物功能的完美結(jié)合。此外，在定制生物材料中添加金屬原子、天然抗菌化合物或抗氧化劑，可賦予其尖端的抗菌和抗細(xì)粘附功能，增強(qiáng)其抵御假體關(guān)節(jié)感染的能力。許多生物活性因子，包括藥物、皮質(zhì)類固醇和生長因子，也被用于生物醫(yī)學(xué)、臨床試驗(yàn)或新興研究，以避免炎癥或促進(jìn)新骨組織的形成。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征

目前，研究者致力于通過開發(fā)特定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來同時(shí)提高強(qiáng)度、塑性、腐蝕性和硬度等。這些特定的結(jié)構(gòu)主要包括梯度結(jié)構(gòu)、片狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、諧波結(jié)構(gòu)、納米域結(jié)構(gòu)、納米孿晶結(jié)構(gòu)、生物分級結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)，以及不同生物材料/細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）、細(xì)胞和生物活性因子的異質(zhì)整合結(jié)構(gòu)。如圖2所示，為四種典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖。這些特殊結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是它們都由具有不同力學(xué)、物理和化學(xué)特性的異質(zhì)區(qū)組成。盡管如此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合性能仍可根據(jù)晶體/相的演變以及成分和結(jié)構(gòu)的分布/比例進(jìn)行預(yù)測和調(diào)控。

圖2 四種典型的異質(zhì)結(jié)構(gòu)：（a）片狀結(jié)構(gòu)；（b）層狀結(jié)構(gòu)；（c）梯度結(jié)構(gòu)；（d）諧波結(jié)構(gòu)。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料體系

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能歸功于結(jié)構(gòu)或成分的異質(zhì)性。因此，選擇合適的材料對于開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)而言至關(guān)重要。為了開發(fā)和設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料，研究者提出了許多新材料的設(shè)計(jì)和整合策略，如異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬、高分子和陶瓷。進(jìn)一步地，由金屬、陶瓷和高分子組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，其生物功能源于各成分的特性的協(xié)同作用，如圖3-4所示。例如，有機(jī)和無機(jī)單元之間強(qiáng)烈的協(xié)同作用會(huì)產(chǎn)生全新的或改進(jìn)的理化性能。聚集在有機(jī)-無機(jī)邊界表面上的納米結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生不同于其單獨(dú)成分的光學(xué)或電學(xué)特性，從而產(chǎn)生協(xié)同的性能。在醫(yī)療電子、人工假肢、智能機(jī)器人等高科技領(lǐng)域的發(fā)展、突破和應(yīng)用前景廣闊。

圖3 高分子材料：（a-c）島狀生物支架；（d）分子結(jié)構(gòu)和自組裝；（e）基于肌肉啟發(fā)的多功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)的水凝膠。

圖4 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合物：（a-c）金屬和陶瓷復(fù)合的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)；（d-e）基于天然珍珠層啟發(fā)的仿珍珠層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)

異質(zhì)結(jié)構(gòu)正迅速成為材料/結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儾粌H具有傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)或均質(zhì)材料難以企及的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，而且還引入了一種新的材料科學(xué)技術(shù)，對傳統(tǒng)的認(rèn)知和設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。區(qū)分異質(zhì)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多材料的一個(gè)關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)是異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有顯著的協(xié)同效應(yīng)，即其力學(xué)或理化性能遠(yuǎn)高于單個(gè)區(qū)域成分性能混合規(guī)則所預(yù)測的性能。對于力學(xué)性能而言，在整個(gè)塑性變形過程中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的異質(zhì)區(qū)在外力作用下會(huì)發(fā)生不均勻變形，即在軟區(qū)產(chǎn)生背應(yīng)力，在硬區(qū)產(chǎn)生前應(yīng)力，兩者耦合引發(fā)異質(zhì)變形誘導(dǎo)（HDI）機(jī)制，并由背應(yīng)力引起額外的HDI強(qiáng)化和HDI硬化，共同提高屈服強(qiáng)度，增強(qiáng)應(yīng)變硬化，并起到保持延展性的作用。

同時(shí)，與材料的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡問題類似，功能材料（如生物材料、儲(chǔ)能材料、催化劑等）也有許多相互矛盾的性能，如透明度和導(dǎo)電性、磁化率和矯頑力、耐熱性和抗沖擊性、疏水性和親水性、極化和擊穿強(qiáng)度、反應(yīng)物流動(dòng)性和催化活性位點(diǎn)等。潛在的綜合性能往往是通過結(jié)構(gòu)或成分設(shè)計(jì)在相互沖突的特性之間做出微妙均衡的結(jié)果。例如，在開發(fā)具有特定性能（主要包括生物相容性、可降解形、抗菌性、磁致伸縮性等）的結(jié)構(gòu)或成分的基礎(chǔ)上，制造出一種具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物材料，它結(jié)合了一種或幾種生物和力學(xué)性能。

圖5 由硅納米膜、過渡金屬二硫化物納米片和鐵納米催化顆粒構(gòu)成的可降解的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

在材料中構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在于如何精確調(diào)控晶體/相的演變，以及異質(zhì)區(qū)的成分和比例的優(yōu)化。作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，增材制造可以通過戰(zhàn)略性地調(diào)節(jié)熔化和凝固過程，控制復(fù)雜三維分布中的沉積密度和方向性，以及通過改變能量的速度和路徑來組合多材料/多結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)量身定制的晶體/相演化以及成分和結(jié)構(gòu)的分布/比例。在開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)以改善力學(xué)性能、生物特性和其他功能方面，增材制造的巨大潛力正一步一步地挖掘。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)開發(fā)和設(shè)計(jì)方面，作者對幾種典型的增材制造技術(shù)進(jìn)行了討論和綜述。

增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)

選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM），在開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸、相結(jié)構(gòu)調(diào)控方面顯示出巨大優(yōu)勢。通過優(yōu)化掃描策略，以獲得所需異質(zhì)結(jié)構(gòu)的植入物，這主要是在植入物的制造過程中，通過改變激光在不同區(qū)域的加工條件，來控制不同打印層的晶粒大小、相分布以及特定位置的異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。因此，SLM可以開發(fā)具有定制結(jié)構(gòu)的金屬植入物，從而賦予材料力學(xué)性能和生物性能的協(xié)同效應(yīng)。

圖6 SLM開發(fā)的諧波結(jié)構(gòu)植入。

電子束熔化技術(shù)（EBM），具有污染小、能量利用率高且無反射的特點(diǎn)，其超高速電子束可實(shí)現(xiàn)粉末熔化前的預(yù)熱效果，可有效降低熱應(yīng)力影響，更適用于活性的稀有金屬和高溫合金的成型。近年來，越來越多的研究者采用EBM開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的醫(yī)用鈦植入物，包括多孔結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)，來降低鈦合金的彈性模量、提高其耐腐蝕能力，同時(shí)賦予材料促進(jìn)骨再生的功能（圖7）。

圖7 EBM開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的金屬植入物。

近場靜電紡絲技術(shù)（NFES）是最簡單、最有效的增材制造技術(shù)之一，已成為制造高分子基材料的另一種先進(jìn)工藝，可最小化傳統(tǒng)電紡絲中與溶劑相關(guān)的缺陷。NFES已被用于異質(zhì)結(jié)構(gòu)非金屬材料的開發(fā)，這進(jìn)一步促進(jìn)了高分子基材料在尖端領(lǐng)域的應(yīng)用，包括作為高性能生物材料的生物支架、生物傳感器、藥物輸送和電子設(shè)備等。此外，具有分辨率的電子噴射（E-jet）打印技術(shù)，在生物制造領(lǐng)域具有精度高以及材料適用性廣的優(yōu)勢，已成功應(yīng)用于生物植入物、傳感器、晶體管和光電器件等眾多領(lǐng)域。因此，也越來越多的異質(zhì)結(jié)構(gòu)非金屬材料的開發(fā)都基于這項(xiàng)技術(shù)�？傊�，異質(zhì)結(jié)構(gòu)聚合物已被評估為最適合制造再生生物支架的材料，并在生物醫(yī)學(xué)和臨床治療領(lǐng)域顯示出巨大潛力，如三層型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的血管化支架（圖8）、定向毛細(xì)管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)支架（圖9）。

圖8 NFES打�。海╝）三層型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的血管化支架；（b）定向毛細(xì)管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)支架。

圖9 E-jet打�。海╝-c）雙層管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的支架；（d-f）三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的支架；（g-h）陣列的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)支架。

與其他領(lǐng)域的材料/結(jié)構(gòu)開發(fā)相比，開發(fā)生物材料的最大目的是實(shí)現(xiàn)多種功能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，以滿足人體環(huán)境的需要。然而，制造由單一結(jié)構(gòu)或均質(zhì)復(fù)合材料組成的生物植入體具有很大的局限性，難以滿足人體多樣化的需求。經(jīng)過長期的探索和實(shí)驗(yàn)，增材制造技術(shù)開發(fā)和設(shè)計(jì)出的異質(zhì)結(jié)構(gòu)生物材料，因其多樣的結(jié)構(gòu)特征和功能機(jī)理，在醫(yī)學(xué)植入物應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。接下來，針對增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，作者進(jìn)行了綜述。

增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

用于制造生物支架的先進(jìn)技術(shù)已得到廣泛開發(fā)，這些生物支架可與人體細(xì)胞一起培養(yǎng)，然后植入受傷器官。性能卓越的生物支架應(yīng)用能否成功取決于通過控制其成分和結(jié)構(gòu)所帶來的協(xié)同效應(yīng)，如各種物理化學(xué)性能與生物功能特性的結(jié)合。就分級結(jié)構(gòu)而言，功能梯度被應(yīng)用于每個(gè)結(jié)構(gòu)層次，以系統(tǒng)地調(diào)節(jié)骨骼特性。通過SLM制造出了基于三周期最小表面的多孔鈦合金支架（圖10），具有密度和細(xì)胞大小梯度模式，將出色的力學(xué)性能和生物功能更好地結(jié)合，在營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的擴(kuò)散以及廢物的清除方面起著重要作用。此外，為了克服器官再生方面的細(xì)胞增殖和分化等關(guān)鍵問題，研究發(fā)現(xiàn)，利用先進(jìn)的增材制造技術(shù)制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)生物移植體可以滿足植入物的復(fù)雜功能需求（圖11）。

圖10 仿生人體骨結(jié)構(gòu)，采用SLM技術(shù)開發(fā)的分級結(jié)構(gòu)的鈦合金支架。

圖11 三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硬腦膜植入物。

再生醫(yī)學(xué)和組織工程需要具有定制生物和理化性能的功能性組織結(jié)構(gòu)。然而，大多數(shù)組織工程技術(shù)主要用于創(chuàng)建無細(xì)胞支架和模具，成型后必須進(jìn)行細(xì)胞填充和增殖。因此，開發(fā)具備功能特性、組織化和血管化的三維組織植入物仍是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。作為突破性進(jìn)展，研究者采用生物3D打印生物水凝膠，開發(fā)了一種血管化組織結(jié)構(gòu)，以滿足生物醫(yī)學(xué)需求（圖12）。這種高度可調(diào)控的異質(zhì)結(jié)構(gòu)血管包含ECM和可增殖細(xì)胞，支持甚至促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的附著和增殖，使內(nèi)皮細(xì)胞排列在血管壁上，為液體擴(kuò)散提供屏障，同時(shí)促進(jìn)平衡功能。隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，未來可能會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞增殖的3D組織結(jié)構(gòu)，并最終直接生成器官。

圖12 生物3D打印由血管、細(xì)胞和ECM組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)植入物。

此外，增材制造異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物材料，在定制的電子感應(yīng)、光電或磁特性材料方面表現(xiàn)出巨大潛力，這促進(jìn)了納米醫(yī)學(xué)、生物成像、生物標(biāo)記、生物檢測、生物治療和生物傳感器的發(fā)展。

圖13 （a-c）超靈敏的石墨烯/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物檢測器；（d-e）基于昆蟲觸手啟發(fā)的PB-TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生物傳感器。

未來展望

增材制造開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)植入物為實(shí)現(xiàn)尖端生物醫(yī)學(xué)性能提供了一系列可行性策略，促進(jìn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)在各種生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。然而，仍存在一些亟待克服的挑戰(zhàn)。一方面，需要深入研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)中多種功能或強(qiáng)化機(jī)制（如固溶、位錯(cuò)累積、第二相分散、HDI、孿晶和應(yīng)變誘導(dǎo)相變）引發(fā)的協(xié)同效應(yīng)，以確定它們對微結(jié)構(gòu)演化和成分耦合的最終性能的相互影響。探索相關(guān)的作用機(jī)制將有助于揭示異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本物理以及工藝-結(jié)構(gòu)-性能間內(nèi)在聯(lián)系。另一方面，區(qū)域的異質(zhì)性允許拓展微觀結(jié)構(gòu)和性能的差異化，包括異質(zhì)的晶粒尺寸、相結(jié)構(gòu)、析出物，以及力學(xué)、磁、腐蝕、電化學(xué)、催化、熱或生物性能等方面。因此，它們有望克服材料科學(xué)領(lǐng)域典型的權(quán)衡問題。這項(xiàng)工作鼓勵(lì)工程制造和材料科學(xué)領(lǐng)域開展更多的相關(guān)研究，例如從大自然中獲得更多生物啟發(fā)來開發(fā)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)升級或更替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的最終目標(biāo)。最后，各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)、組成以及在生理?xiàng)l件下引發(fā)的協(xié)同效應(yīng)仍有待進(jìn)一步揭示。特別要指出的是，找出決定綜合特性的最佳工藝參數(shù)和成分配比是進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。這就要求科學(xué)家們結(jié)合實(shí)驗(yàn)、理論和建模研究，構(gòu)建成分-結(jié)構(gòu)-性能的潛在關(guān)系，并揭示內(nèi)在的協(xié)同效應(yīng)，從而得出異質(zhì)結(jié)構(gòu)生物材料的設(shè)計(jì)原則，以便為加工路線提供指導(dǎo)策略。而且，將新興的異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于預(yù)防感染、制藥和藥物輸送是未來值得研究的領(lǐng)域，有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來更多突破和變革。