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植物的纖維束形成特定方向,順著這個方向砍劈木頭較為容易。

植物的纖維束形成特定方向,順著這個方向砍劈木頭較為容易。pfos@Flickr CC BY-SA 2.0

「仿生」得到設計靈感

有不少的產品或研究,都得益於動物的啟發,無論是動物的身體架構、動作、顏色、黏液…等等;然而植物也有很多值得觀察的特色,大多時候我們看到植物都是靜止的,實際上植物也會因外界刺激而動作,像有些植物會因溫度變化、外力刺激而收縮起來、減少面積,儼然具有「智慧」的功能。現在正夯的3D列印,似乎什麼都能印了,那麼能列印一個有這種智慧功能的產品嗎? 如果有,又怎麼應用呢?

4D列印

先前生醫人網摘已經向介紹過可隨時間生長的精準技術列印細胞,這個在時間軸上有變化的概念,開發人員稱作是在3D生物列印之外的第四個維度,也就是4D生物列印。那麼,如果材料能精準列印在特定的位置,還能隨外界刺激而改變形狀,那是否堪稱是4D?美國哈佛大學(Havard University)的科學家,應用含「水凝膠」(hydrogel)和「纖維束」(cellulose fibrils)(註1)的複合材料,用來模擬植物內讓形狀改變的微結構。他們在列印前先安排好這些纖維束的走向、位置,因為纖維束為「非等向性(anisotropic)」(註2)(如同砍劈木頭一般,順著纖維走向的劈開較為容易;如果砍劈的方向和纖維垂直,則比較難劈開),所以能控制材料受到刺激後的膨脹方向,科學家因此便能預測成品在列印出來並放入水中後,因吸水膨大而變化的結果。

這種「水凝膠+纖維束」混合的列印墨水,除了噴出了列印噴頭之後可立即凝固定型,還可以更換水凝膠和纖維束的組合,例如改為具導電特性的纖維束,讓列印出來的產品能夠通電。

註1: 植物的細胞壁含有許多「纖維素」(cellulose),數條纖維素可組合成「微纖維」(microfibril),繼而由數條微纖維組成「纖維束」(fibril)

註2: 「等向性材料」(isotropic material): 如果以相同大小的力量,從不同的方向去拉伸一個材料,若每個不同拉伸方向的伸長量均相同,就可稱此材料是等向性材料;「非等向性材料」(anisotropic material)即為不同拉伸方向的伸長量不同。

文章參考:Harvard Gazette
影片來源:Havard University
圖片來源:pfos@Flickr  CC BY-SA 2.0


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。