华盛顿大学开发可降解3D打印生物塑料，受力状态下更坚固

2025年4月25日，南极熊获悉，来自华盛顿大学的化学教授、NIST研究员阿尔沙基姆·尼尔森（Alshakim Nelson）正在开发一种新型生物3D打印材料，这种材料不仅可生物降解、可持续，而且在压力下也更坚固，在医学、工程和其他领域都有潜在的实际应用。

Nelson在IBM工作十年后，于2015年加入华盛顿大学，目前与工程和医学领域的研究人员进行跨学科合作。他实验室目前的项目包括3D打印支架，这种支架可以在体内释放抗炎化合物。这些治疗材料可以保持活性超过一年，并可在货架上保存六个月。

化学教授阿尔沙基姆·尼尔森（Alshakim Nelson）开发了可持续的3D打印材料，有望应用于医学和工程等领域。摄影：胡安·罗德里格斯（Juan Rodriguez）。

承压之下更坚固的生物塑料

Nelson的实验室专注于3D打印背后的化学原理，自主研发出具有优异机械性能的生物塑料——这是他们在市场上找不到的。他说道：“我们需要一种既可3D打印、可生物降解，又具有良好机械性能的材料。”

实验室近期的一项杰出创新是开发了一种压缩后强度更高的生物塑料，它在3D打印和压缩后会按预期变形，但随后会恢复到原始形状——这次比以前更坚硬、更坚固。研究团队将定制的生物塑料与创新的打印技术相结合，以解锁新的、有时甚至令人惊喜的功能。研究团队成员安格斯·伯格说道：“感觉就像做饭一样，只不过食材无限。”

△尼尔森的研究团队成员包括博士后、研究生和本科生。图片由丹尼斯·怀斯/大学摄影提供。

这种效果得益于他与机械工程教授卢卡斯·梅萨共同设计的晶格结构，3D打印材料在受力时能够更有效地分配能量，从而避免出现裂纹并削弱材料强度。Nelson实验室的学生率先观察到这种材料在受力时实际上变得更坚固、更坚硬。

尼尔森说：“我拥有一支非常优秀的学生和博士后团队，他们的观察力非常出色。他们是优秀的科学家，能够注意到实验中发生的有趣现象，并进行更深入的研究。”

研究团队对自强化材料的探索仍在进行中，并可能在从制造到建筑到医疗保健等应用领域产生潜在的变革作用。

去太空甚至更远的地方？

从结构—性能的增强到在外太空轨道上生产药物，Nelson的团队正在重新定义新型材料 3D 打印的应用场景。例如他们开发的3D打印材料，其结构中融入了治疗化合物，可用于医疗。Nelson举了一个3D打印支架的例子，由于材料中的微生物，该支架在体内持续产生抗炎剂。

Nelson 说道：“我们发现的一件很酷的事情是，这些材料能够长时间保持活性。它们可以持续生产所需的化合物一年甚至更长时间，在干燥状态下也能稳定保存六个月。这意味着我们可以把它们储存起来，直到需要的时候再取出，放入培养基中，然后快速开始生产。我们最大的梦想是考虑在更本地化的规模上利用它们进行生产，并根据需要进行小批量生产。”

在谈到未来美国宇航局任务的潜力时，Nelson也表示这种生物生产可以在太空进行制造。他说道：“我们发现的一个很酷的现象是，这些材料能够长时间保持活性。这为本地按需药物生产打开了大门——即使在太空中也是如此。想象一下耗时近两年的火星任务，你必须把所有东西都带上。我们能用这些可打印的结构来按需生产不同的治疗化合物吗？这种生物生产能在太空中进行吗？我认为这是可能的。”

这可能是一个崇高的目标，但Nelson还有许多其他更贴近现实的目标，包括未来利用植物蛋白质代替动物蛋白质作为 3D 打印更可持续的可生物降解资源。Nelson 说：“我们最近发现，可以用转基因水稻的蛋白质进行打印。它不仅性能优良，还能提供新功能，所以我对此感到很兴奋。这又是一个让我们发挥想象力，探索现在和未来可能性的机会。”