力学性能是材料学的一个重要研究方向，材料力学性能的优劣将直接影响该材料的应用范围和使用周期。在现代社会，使用单一的材料早已无法满足需求，所以在实际应用当中，工程师们往往会组合多种材料以达到更为满意的效果。然而即便是使用了多种材料，我们仍然难以在多种材料的连接处或交界面达到平顺的过渡效果——两种截然不同的材料产生的应变不均，可能会导致器件在应用过程中过早失效，产生严重的后果。
目前，为解决这个问题，已有不少使用梯度设计的案例，即在两种不同材料之间，通过调整两种材料的混合比例，使交界处应力变化更为缓和，达到材料逐渐过渡的效果。这种设计在自然界非常常见，贝壳类的丝足、动物的肌腱、人类的椎间盘等连接软硬组织的部位均有梯度设计的影子。然而，因缺少合适的制造工具，人工创建这类过渡效果往往局限于非常小的范围内，且均为平面过渡。为解决这一难题，Studart课题组开创性地使用regenHU 3D Discovery™生物3D打印机制作了三维大跨度弹性模量的梯度弹性体，以探究生物组织的应力情况。
文献中使用到了两种不同的树脂（A和B），A更硬（延展性差），B更软（延展性好）。在实验过程中，只需按照不同比例将两种树脂混合，即可配制一系列梯度延展性的树脂（图1）。因使用了两种弹性模量差别很大的树脂，所以最终产生的弹性模量梯度跨越了三个数量级（319MPa – 0.12 MPa），延展性范围也达到了67% - 753%，远高于常见商用3D打印墨水（170% - 240%）。图1 不同配比的树脂A和B所得到的延展性差异巨大
作者在二维层面证实了该设想的可行性后，将测试拓展到三维，通过构建一个椎间盘模型，来解释梯度设计如何改变结构破坏的起始位置。人体的椎间盘对于吸收冲击作用巨大，正常的椎间盘通常有一个凝胶状的核心，外围则被纤维组织和纤维环所包裹。一般来说，外部的纤维组织会比内部的凝胶状核心刚性更大，因而在计算机模拟结果中，椎间盘的损坏从外部开始，而模拟的另一种假想椎间盘模型——均质椎间盘则从内部开始破坏。为验证该模拟结果，作者使用regenHU生物3D打印机制作了上述两种类型的椎间盘模型，两种椎间盘内部均为柔软的核心（纯树脂B），其中一个椎间盘的外围弹性模量无梯度变化（30%树脂A），另一个则用梯度逐渐减少树脂B的含量（树脂A的含量从16.7%到50%）。
图2 梯度（Graded）与均质（Non Graded）椎间盘的弹性模量随边缘距离的变化图
通过有限元分析模拟，结果显示当施加20%应力时，均质椎间盘模型的应力峰值在两种材质的交界处（图3上），而梯度设计椎间盘的应力峰值在外表面（图3下）。
图3 有限元分析模拟的应力示意图
随后的实际挤压测试结果也验证了该模拟数据，在普通椎间盘模型上，最终破裂的部位从上下交界面到外表面中心均有分布（图4左），而梯度设计椎间盘的破裂部位则集中在外表面的中心位置，形成规则的环状（图4右）。不同的结果将帮助科研工作者和医护人员更好地预测椎间盘实际损伤的可能部位，甚至对人工椎间盘进行有针对性地加固。图4 两种椎间盘的实际挤压测试结果
[1] KokkinisD , Bouville F , Studart A R . 3D Printing of Materials with Tunable Failurevia Bioinspired Mechanical Gradients[J]. Advanced Materials, 2018,30(19):1705808.
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