仿生材料3D打印

張 靚, 趙 寧, 徐 堅

(1. 北京科技大學化學與生物工程學院， 北京 100083)(2. 中國科學院化學研究所 高分子物理與化學實驗室, 北京 100190 )

1 前 言

生物經過十多億年連續的進化、突變和選擇，已經形成十分多樣的材料和結構。這些天然生物材料通常利用有限的組分構造復雜的多級結構，并利用這種多級結構實現多功能性，達到人工合成材料不可比擬的優越性能。例如珠線結構的蜘蛛絲具有高強度、可延展性、超級收縮性以及定向集水能力；蝴蝶的翅膀具有特殊微納結構，兼具超疏水性和結構顯色功能[1]。但是，大多數生物材料難以直接從自然中大規模獲取并應用于材料與工程領域。因此，利用技術手段制備具有類似結構與性能的仿生材料至關重要。目前，研究人員利用多種方法成功制備了性能優異的仿生材料，有一些在工程領域已經具有成熟的應用。然而，天然生物材料的一些主要特征，例如精妙復雜的微納米結構、不均勻結構的空間分布和取向等，很難使用傳統的方法精確模仿。仿生材料的制備仍是材料領域的研究熱點和亟待突破的難題。

3D打印技術，也稱為增材制造技術，是近年來興起的一種快速成型技術。3D打印采用計算機建模技術，通過逐層疊加的方法構筑目標材料，具有快速化、精準化、個性化等優點。3D打印與生物材料天然的形成過程具有相似性：在原材料的供給上，單元組分可以選擇連續不斷或者逐步供給；在結構構筑上，由編程代碼控制物質局部微觀形貌和宏觀形狀；在形成機理上，通過代碼的執行進而調控結構單元的化學組成[2]。由于3D打印可以同時控制材料局部的化學組成和精細的結構，可實現更高復雜度和功能性材料的制備，所得材料性能或將優于現有手段所制備的仿生材料。此外，3D打印技術所制備的仿生材料可以作為模型，用于研究生物微納結構的設計原則，進而獲得更好的設計理念以及進一步優化材料性能的方法。

本文概述了用于仿生材料制備的一些3D打印技術，分別從以下3個方面總結了近年來利用3D打印技術制備仿生材料的研究進展和代表性成果：① 微納米結構的仿生3D構筑，② 模仿天然生物材料微觀結構的生物3D打印，③ 以仿生機器人為代表的功能性仿生3D打印。討論了目前該領域面臨的問題，并探討了3D打印在仿生材料領域的未來發展方向。

2 3D打印技術概述

3D打印技術通常分為液池光固化技術(vat photopolymerization)、粉末床熔融技術(power bed fusion)、材料噴射技術(material jetting)、粘合劑噴射技術(binder jetting)、材料擠出技術(material extrusion)、直接能量沉積技術(directed energy deposition)和層片疊加技術(sheet lamination)7大類。本文僅對在仿生材料領域中所常用到的液池光固化技術、材料噴射技術和材料擠出技術進行介紹(圖1)，其他3D打印技術可見相關綜述[3]。液池光固化技術是一類應用較為廣泛的3D打印技術，其主要原理是通過對液態光敏樹脂池進行選擇性光照(紫外或可見光)，使光敏樹脂由液態快速轉化為固態而成形[4]。液池光固化技術主要包括光固化立體成型(stereolithography, SLA)、數字光處理技術(digital light processing, DLP)和雙光子聚合(two-photon polymerization，TPP)3種方法。SLA方法一般由波長在UV區間的激光引發聚合，具有高空間分辨率，其制備速度取決于激光的掃描速度。由于SLA是基于單光子聚合，所以其精度受限于光學繞射極限。DLP技術與SLA相似，但是不同于SLA點對點的照射，DLP通過投影儀逐層固化，制備速度更快。通過與外場輔助系統結合，SLA和DLP技術可以用于制備各類仿生結構材料[5, 6]。TPP技術高度聚焦激光中心使得兩個光子可同時被吸收，基于多光子吸收的非線性關系，其分辨率可以小于光的波長，達到100 nm。和其它3D技術層層疊加原理不同，TPP的焦點可以任意移動，是具有完全自由度的三維打印，缺點是打印速度較慢。TPP技術可以用于制備各種精密光學元件、微納尺度的結構器件，例如仿鷹眼視覺成像系統[7]和微血管打印[8]。

利用光固化成型方法的還有材料噴射技術，其通過熱電或壓電技術，將光敏樹脂液體通過多個噴頭濺射成微液滴，并利用紫外光進行薄層固化，實現快速成型[9]。液池光固化只有在制備極其復雜結構時才需要支撐物，與之不同的是，材料噴射技術需要致密的支撐結構，其制備過程通常包括采用不同的噴頭同時噴射成型材料和支撐材料，打印結束后再洗去支撐物。材料噴射技術由于具有多噴頭，通?？蛇_數百個，因此可以用于制備多組分體系，這是SLA和DLP技術很難達到的。因為生物材料通常由不同組分構成，所以多材料噴射技術在仿生材料領域有重要應用[10-13]。

材料擠出技術，包括熔融堆積成型(fused deposition modeling, FDM)和墨水直寫技術(direct ink writing, DIW), 在仿生領域和生物3D打印領域具有廣泛應用[14]。FDM技術的原理是將熱塑性材料加熱到玻璃化轉變溫度或結晶溫度以上，然后通過移動的噴嘴擠出沉積成型。 Miyake等[15]利用FDM方法制備了模擬蝴蝶翅膀的具有結構色的塑料零件。但是FDM精度較低，產品機械性能較差，并需要將原料制備成1.75 mm或3.0 mm的線料，因此一般主要用于模型展示[16]。DIW技術通過在常溫下擠出粘彈性材料成型，可使用材料包括聚合物溶液、聚合物分散液、復合材料、生物材料、活細胞等，在所有3D打印技術中應用范圍最為廣泛。通過增加擠出噴頭的數量，DIW技術可以同時打印多種材料。

圖1 幾種仿生材料領域常用3D打印技術的最小特征尺寸Fig.1 The minimum size features of several 3D printing methods mainly applied in bioinspired materials field

3 仿生微結構3D打印

生物材料優異的性能來源于其精妙的微觀結構以及對多種材料的合理利用。大部分生物材料由無機-有機復合材料組成，且形成的結構具有多級性與復雜性。用于模擬生物材料微觀結構的3D打印技術需要可以同時打印兩種或多種不同類型的材料，或者可以打印復合體系。雖然目前所制備的3D打印材料的結構單元尺寸比生物原型要高數倍，但是仍可以有效地提高材料的性能，并對其生物原型的生物物理性能進行模擬與研究。

3.1 仿貝殼結構

軟體動物的貝殼、動物的骨頭、牙釉質層等高礦化度生物材料具有質量輕、強度高的特點，尤其是貝殼的珍珠層因具有優異的力學性能(韌性≈1.24 kJ·m-2; 強度≈140 MPa; 剛度≈60 MPa)，一直以來廣受關注[17]。貝殼珍珠層是一種復合材料，由95%的“硬”礦物質相(文石片)和5%的“軟”有機相(蛋白質、脂質、多糖類聚合物)交錯排列成夾層結構，其在納米尺度上具有特殊的有序性和強度。珍珠層的生物礦化形成機理和微觀結構為合成新型材料提供了指導思想[18]。Buehler等[10]基于介觀分子力學模型，利用材料噴射成型技術同時打印基于丙烯酸類光敏樹脂的剛性材料(VeroWhitePlus)和柔性材料(TangoBlackPlus)，用以模擬珍珠層結構的硬相和軟相。這種3D打印的仿貝殼結構具有優異的力學性能，其韌性比單一組分大一個數量級。隨后，該團隊又基于3D打印對仿生復合材料的力學性能進行了一系列的模擬研究[19, 20]。海螺殼的強度比貝殼高一個數量級，但是其復雜的交錯微層結構使用傳統的方法很難模仿。Buehler等[11]利用相同方法制備了具有二級結構的仿海螺材料，其抗沖擊性能比只具有一級結構的材料提高了70%，且相對于只具有“硬”相的單一組分提高了85%。目前，材料噴射3D打印技術已被多個研究組用作重要手段對貝殼結構進行研究與模擬[21]。

3.2 仿龍蝦殼結構

相對于貝殼和骨頭的高礦化度，一些蝦殼、蟹殼等低礦化度生物材料利用Bouligand結構也可以獲得輕質、高強和高韌的特點。Bouligand結構是一種由取向排列纖維組成的多層結構，層與層之間垂直于法線方向螺旋旋轉。這種特殊結構可以增強材料的力學性能，形成周期性的彈性模量變化阻擋裂紋前進，增強材料的斷裂韌性。Bouligand結構是甲殼類動物角質層的主要結構特征，廣泛存在于自然界的硬組織中，可以起到“盔甲”的保護作用和“拳頭”的攻擊作用。例如，美國龍蝦(homarus americanus)外角質層的α-甲殼素與蛋白質納米纖維組成纖維以及纖維束，并與礦物質和蛋白質進一步層層疊加組成Bouligand結構(圖2a)[22]。生活在亞馬遜流域的巨骨舌魚(arapaima gigas)的鱗片內的膠原蛋白纖維采用Bouligand結構，可以抵抗食人魚的攻擊[23, 24]。

Martin等[5]利用磁場使負載Fe3O4納米顆粒的氧化鋁片在丙烯酸樹脂中取向，然后使用DLP技術固化成型，獲得陶瓷/聚合物復合材料。通過改變片狀陶瓷顆粒的取向可以分別模擬簡化后的雀尾螳螂蝦的錘節、哺乳動物的骨結構以及鮑魚貝殼珍珠層結構，并同時提高復合材料的剛度、硬度和拉伸強度。Yang等[6]進一步發展了電場輔助的方法，通過在樹脂池側面設置兩個平板電極，在電場下誘導改性多壁碳納米管在環氧丙烯酸酯中取向，并利用樹脂池旋轉控制層間角度，最終形成Bouligand結構(圖2)。雀尾螳螂蝦可以擊碎貝殼和魚骨等高度礦化生物組織，Yaraghi等[12, 13]發現其錘節上直接與獵物相接觸的沖擊區域結構與普通的甲殼類動物外骨骼的螺旋結構不同，其甲殼素纖維采取了正弦緊密堆積式的Bouligand結構，以獲取各向異性的力學性能。通過材料噴射3D打印技術對這種特殊結構進行模擬，證明了其獨特結構特征可以增強應力的重新分布和平面外剛性。

圖2 利用電場輔助3D打印美國龍蝦外殼Bouligand結構[6]: (a)龍蝦外殼的Bouligand微結構，(b)通過旋轉電極改變多壁碳納米管的取向，(c)不同取向多壁碳納米管的表面光學顯微鏡照片和斷面SEM照片，(d)3D打印的多壁碳納米管Bouligand結構Fig.2 Biomimetic architectures with Bouligand structure [6]: (a) the Bouligand microstructure of homarus americanus, (b) alignment of carbon nanotubes via rotation of the electrodes, (c) surface optical microscopy images and SEM images of the cross-section of different alignment of carbon nanotubes, (d) 3D printed carbon nanotubes with Bouligand structure

3.3 仿鯊魚皮結構

仿生表面減阻，特別是仿鯊魚皮減阻，是眾多減阻方法中的一個熱點。鯊魚皮表面具有順流向溝槽，能夠高效地保存黏液于表面，從而抑制和延遲紊流的發生，減小水體對鯊魚游動的阻力[25]。鯊魚的皮膚由固定在柔性真皮層中的堅硬盾鱗構成，這種軟硬結合的方式很難通過常規方法復制。Wen等[26]首次利用材料噴射3D打印技術在柔性薄膜上制備了仿鯊魚皮結構。首先通過顯微CT成像構建基于灰鯖鯊盾鱗的三維模型，然后利用楊氏模量分別為1 MPa和1 GPa的柔性材料和剛性材料作為基底和盾鱗。所打印的盾鱗結構被錨定在基底內部，其結構更接近于真實鯊魚皮表面(圖3)。通過模擬鯊魚在行進過程中遇到復雜流動環境，發現在1.5 Hz垂蕩頻率下，3D打印仿鯊魚皮材料相對于水的移動速率提高了6.6%，能量消耗減少5.9%。隨后該團隊對仿鯊魚皮表面盾鱗結構的形狀和間距與其流體動力學功能之間的聯系做了進一步的研究[27]。Lang等利用3D打印方法對海豚皮膚表面結構進行模擬并研究了其結構對邊界層流的影響[28]。除對鯊魚和海豚的流體動力學研究之外，3D打印技術還被廣泛用于魚鱗結構研究，例如一些古代魚類的互鎖鱗片結構設計，硬鱗魚的鱗甲對身體的支撐作用以及海馬尾的抓取功能[29]。

圖3 3D打印仿鯊魚皮結構的表面掃描電鏡照片[26]，每個盾鱗的大小約為1.5 mmFig.3 SEM image of 3D printed shark skin[26], each denticle measures about 1.5 mm in length

4 仿生結構化生物3D打印

生物醫療是3D打印的一個重要應用領域，其又可以分為生物3D打印和非生物3D打印[30]。非生物打印是指只實現外觀、功能的打印，在3D醫學模型、空腔種植體、假體假肢和生物制藥等方面具有重要價值。生物3D打印，包括生物支架打印、細胞打印等，在特定位置不僅能打印天然和合成聚合物、藥物、生長因子，還可以打印活細胞。理想的生物3D打印技術應該可以直接打印出組織和器官，用于損傷部位的治療。目前可以引入活體細胞的3D打印技術主要包括材料噴射、材料擠出和光固化成型。除選擇合適的制備手段及打印材料，生物組織自身結構的有效模擬也至關重要，制備具有仿生結構的組織或器官可增強應用的可靠性。

4.1 血管網絡

細胞在距離血管網100 μm以外處很難生存，因此模擬天然血管網絡的血管3D打印是生物器官3D打印的基礎。盡管骨、軟骨以及肌腱的個性化打印與移植已進入了臨床階段，但是3D打印肝臟、腎臟和心臟等需要不間斷血流供應的器官仍是一個難題[31]。天然血管直徑范圍跨越幾個數量級，從直徑4～30 mm的大動脈和靜脈，到5～20 μm的毛細血管，它們共同組合成復雜的分支結構。這種多層次的網絡結構在體外構筑具有很大難度。一般血管網絡的構筑手段可以分為以下2種：一種是將血管的結構與其復雜的生物學功能分離開，簡單地將血管作為流體輸送通道，利用分形和強制結構優化算法構造血管網[32, 33]；二是以醫學影像學作為基礎，通過顯微CT、心臟磁共振和超聲心動圖等手段獲得真實血管系統的高分辨率三維影像，分離出需要重建和打印的部分，進行數據處理[34]。血管的構建主要基于材料擠出和光固化3D打印技術[35]。Hinton等[36]發明了利用明膠微粒組成的凝膠浴輔助支撐的3D打印方法。這種凝膠浴可被視為Bingham塑性流體，其在低剪切應力下表現為彈性固體，當剪切應力高于臨界值時可以像粘性流體一樣流動。當3D打印擠出噴嘴在凝膠浴中移動時，產生的剪切應力可使明膠顆粒流動，而擠出的材料又可以被鎖定在其擠出的位置。利用這種辦法可以打印構成低彈性模量的生物材料，構造支化的動脈結構(圖4a)。由于生物3D打印精度的限制，通常打印的血管尺寸較大，直徑一般在毫米級左右。Meyer等[8]利用精度較高的雙光子聚合方法使打印出的血管結構內徑和壁厚降低到18 μm和3 μm。但是毛細血管的3D打印依然面臨艱巨挑戰。

圖4 凝膠浴輔助支撐3D打印(FRESH)制備的血管結構[36](a)，TPP技術制備的血管結構[8](b)Fig.4 An arterial tree prepared by FRESH printing[36](a), artificial capillary prepared by TPP[8](b)

4.2 漸變材料

在工程領域，復合材料的破壞通常都是從界面或界面附近發生的。為了解決這個問題，天然生物采取了在軸向上連續地改變物質成分及結構特征的方法，用以抵抗強自然力[37]。例如，貽貝通過控制膠原蛋白的組成使足絲的楊氏模量從靠近自身一端的50 MPa逐漸改變到遠端的500 MPa，從而實現自身與石頭的穩固連接[38]。這種漸變材料可以有效消除界面應力，在自然界中被廣泛用于軟組織和剛性表面的連接。在人體中，不同組織的界面通常具有物理、生物化學、生物學特性以及細胞成分的梯度變化，例如骨-軟骨界面、骨-韌帶界面。為了模擬細胞真實微環境中的物理、化學和空間梯度，漸變結構的設計和制備成為組織工程中至關重要的一部分[39]。Zhang等以聚乙二醇(PEG)水凝膠作為軟骨相，β-磷酸三鈣(β-TCP)陶瓷支架為骨相，利用SLA技術制備了PEG/β-TCP兩相結構的生物支架。通過改變界面處的孔隙率，發現相比于傳統的融合方法，經過界面結構優化的界面，剪切強度得到了大幅的提升[40]。Luca等通過擠出聚乳酸、聚已內酯和聚(氧化乙烯酯)/聚(對苯二甲酸丁二醇酯)(PEOT / PBT)構建了同時具有浸潤性和力學性能漸變的三維支架[41]。此外，3D打印還可以通過與凝膠澆筑[42]、電紡絲[43]等方法相結合，制備骨漸變界面。

5 功能性仿生3D打印

材料的仿生研究不僅僅局限于對生物材料成分、結構的模仿，更期望能達到甚至超越天然生物材料獨特的力學性能、物理化學性能和生物學性能。而對人類自身的模仿，尤其是作為傳感器和驅動器的皮膚和肌肉，一直是研究熱點之一。20世紀末以來，一系列包括形狀記憶合金、刺激響應性聚合物、形狀記憶聚合物和電活性聚合物等智能材料快速發展。這些具有類似生物材料智能屬性的材料中，對外部刺激(光、電、磁、熱等)具有感知的一類材料，可以被作為傳感器；對外部條件發生變化可以做出響應的材料，可以作為驅動器。利用這些智能材料進行3D打印，一方面可以使快速成型、個性化定制、一步制備具有復雜結構和高分辨率的傳感器和驅動器成為可能，另一方面通過數學模型對材料的模擬，可以預測物體形狀、性能和功能的演變，有望實現自組裝、多功能和自修復功能[44]。

5.1 柔性傳感器

人類的皮膚可以看作一個超柔性的大面積電子電路，其對觸摸、溫度、濕度和許多其他環境刺激都有高敏感性[45]。隨著人們對可穿戴設備、人工智能和軟機器人技術的興趣與日俱增，研制能夠模擬人體皮膚感覺能力和機械性能的柔性傳感器具有極大前景。傳感能力對人造電子皮膚至關重要，測量觸覺刺激的方法主要基于電容機制和壓阻機制。電容式傳感器具有優異的靈敏度，線性度，并且不受溫度影響。Lei等[46]制備了一種熱響應水凝膠，利用其剪切變稀性質進行擠出，構造格柵狀微結構。在兩層水凝膠打印結構之間加入連接金屬電極的聚乙烯介電層，從而構成電容式傳感器。在最外層覆蓋聚乙烯薄膜對器件進行保護后，即可作為多功能離子型人造皮膚。水凝膠具有較低的模量，從而保證了器件的柔順性，同時3D打印的微結構可以在溫度和壓力等外部刺激下放大電容面積變化，使水凝膠基器件能夠感知人體溫度和人體運動。但是電容式傳感器容易受到電磁干擾，需要屏蔽來獲得高信噪比。Guo等[47]使用自制的雙z軸多材料3D打印裝置，制備了具有檢測和鑒別人體運動的能力的壓阻式觸覺傳感器，可以用作脈搏和手指運動監測。Lewis課題組提出了一種“嵌入式3D打印”方法，通過將含有導電碳油泥的粘彈性墨水直接在硅彈性體前驅體中擠出打印，其中粘彈性墨水作為傳感元件，彈性體材料在固化后作為基體，構成一個高度集成的應變傳感器[48]。這種應變傳感器具有高度共形和可拉伸的特點，在手套形狀的容器中打印，可以原位制備出含有傳感器的手套，對人手部的活動進行檢測(圖5)。目前3D打印可以制備多種功能的柔性傳感器，且性能和常規制備的器件不相上下，甚至更加優異[49]。為進一步模擬真實皮膚功能，集合觸摸感應、氣體感應和生物感應以及柔性、可拉伸性和自修復性能于一體的材料與器件有待進一步開發。

圖5 嵌入應變感應器的手套(a)，不同的手勢可導致傳感器電阻的變化[48](b)Fig.5 A glove with embedded strain sensors produced by 3D printing (a), electrical resistance change as a function of time for strain sensors within the glove at different hand positions[48](b)

5.2 柔性驅動器

與對皮膚的模擬相比，“人造肌肉”驅動器的研究更加深入，對電、磁、化學、熱、光和壓力響應的材料都可以作為驅動器(圖6)[50]。為了模仿真實肌肉的功能，肌肉的一些突出特性，包括保持肌肉的能量密度、承受高應變能力、儲存和恢復能量的能力、高功率重量比以及執行自然運動模式的能力等，都是需要關注的問題。氣動和液壓驅動器技術相對成熟，其反應速率快、功率密度高，具有天然的柔軟度。利用彈性材料進行打印，可以制備集成的氣體或液體回路，以及嵌入式接頭[51]。但是氣動-液壓式驅動器一般體積較大，并且受輔助系統的限制。電活性聚合物是一種能夠在電流、電壓及電場下產生各種形式力學響應的智能材料。它可以將電能轉化為機械能，具有密度小、回彈力大和響應速度快等優點，是目前最有可能接近真正肌肉特性的一類材料[52]。包括介電彈性體、壓電聚合物、離子聚合物-金屬復合材料等在內的電活性聚合物都可以通過3D打印制備成柔性驅動器[51]。此外，智能凝膠也是一類被廣泛應用于3D打印人工肌肉的材料，其可在濕度、熱、pH、電、磁等刺激下驅動，并且具有和自然組織環境相似的高水含量[53]。3D打印還可以實現其他材料在驅動器方面的應用。例如相變材料，特別是具有高膨脹應變的氣-液轉變相變材料，雖具有優異的電機械性能，但是利用傳統的方法很難保存和控制。而利用3D打印技術，Miriyev等將乙醇存儲于微氣泡中，分散到硅彈性體中，所制備材料可以承受高達900%的應變[16]。

圖6 不同刺激響應原理的小型驅動器[50]Fig.6 Examples of small soft robotic systems actuated with various stimuli[50]

5.3 軟體機器人

軟體機器人是一種新型仿生連續體機器人，相較于傳統機器人的六重自由度(旋轉和平移各具有x,y,z軸)，軟體機器人所用柔性材料可以彎曲、扭曲、拉伸、壓縮、起皺，使之不局限于平面運動，具有無限自由度[54]。傳統機器人材料主要包括金屬和硬性塑料，其楊氏模量在109～1012Pa之間，而皮膚和肌肉等生物組織的模量相對小幾個數量級，大約在104～109Pa。因此，軟體機器人被定義為主要由模量接近于柔性生物物質的材料構成的具有自主行為能力的系統[55]。利用3D打印技術制備軟體機器人，可以將傳感器、驅動器和控制系統等集成在一起，消除多余的連接，通過對感知信息進行處理，再把指令反饋給驅動器做出精確的反應，從而體現生物的特有屬性。Bartlett等[56]在Science雜志上報道了用多材料3D打印制備了燃料驅動的機器人，其身體具有剛性的內核和柔性的外層,以及梯度漸變模量。這種剛性梯度模量跨越3個數量級，使較硬的驅動部件(控制器，電池等)和主體的柔性軀體具有良好的界面過渡。通過丁烷和氧氣的燃燒提供動力，這種機器人能夠執行高自由度跳躍。但是這種軟體機器人仍然局限于利用剛性電子器件來進行控制。隨后，Wehner等[57]在Nature上首次報道了一個全軟體仿章魚機器人“Octobot”。該機器人是利用單組元推進劑的氣壓型驅動裝置，因為在催化劑作用下單組元推進劑快速分解成氣體，所以不需要再連接電池或外部電源。機器人的氣動驅動器網絡、內嵌燃料池和催化反應腔完全利用嵌入式3D打印技術在體內成型(圖7)?！癘ctobot”的出現標志了軟體機器人的重大突破，但是由于軟體機器人具有無限自由度，實現實時精確控制難度非常高，因此仿生智能控制算法的研究同樣至關重要。

圖7 全軟體機器人“Octobot”的制備與結構示意圖[57]Fig.7 Illustration of the printing process and structure of the fully soft robot “Octobot”[57]

6 結 語

生物材料具有精妙復雜的微觀結構和多重智能功能，而3D打印技術的發展為模仿生物材料的結構與功能提供了新的加工成型手段?；诓牧蠂娚?、材料擠出和光固化成型等3D打印技術，可以制備形式多樣的仿生結構，例如貝殼的磚泥結構、龍蝦殼的Bouligand結構、取向增強結構和漸變結構。通過選取合適的生物材料、活細胞等，可以直接在體外模擬真實形態的器官及血管網絡并打印用于組織工程?；?D打印高度集成化的特點，可以用于制備人造電子皮膚、肌肉乃至仿生機器人。

綜上所述，將仿生原理和3D打印技術結合，可以利用生物材料的設計原理指導先進功能材料的精確高效制備，并且更加深入地理解生物材料的合成原則與方法。但是，利用3D打印手段達到與生物材料同等水平的性能仍然具有挑戰。首先，3D打印技術的精度還不夠高，例如利用材料噴射打印的仿鯊魚盾鱗尺寸是其生物原型的10倍以上，毛細血管的打印仍沒有突破；其次，可選用的材料較少，目前大量的研究基于光固化技術，但是光敏樹脂并非生物自身材料；再次，雖然通過磁場或電場可以控制填料在材料中的取向，但是精確控制材料局部的化學組成和微觀結構的3D打印方法仍然欠缺。未來的研究方向應該主要包括：① 開發可以精確構造仿生物多級結構及可調節局部物理、化學及微結構的3D打印方法；② 拓展可選用的材料范圍，特別是智能材料和生物醫用材料；③ 利用3D打印研究生物材料結構和功能的關系；④ 開發、建立仿生智能算法研究和可供仿生材料3D打印的數據庫及軟件；⑤ 通過3D打印仿生材料，設計和研發下一代智能材料與器件。