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,。