生物系统为应对环境的挑战，自然进化出了兼具优异机械性能和特殊功能的天然结构材料，如牙釉质、珍珠层、骨骼等。这些生物材料通常是由无机前驱体和有机基质自组装而成，它们的主要特征是由基本的纳微结构单元有序排列而成的多尺度分级结构，这样的结构排列除了实现机械性能的提升外，还在每一层级上也表现出性能的优化，如自修复、结构色等功能，这是目前人工合成的传统材料无法实现的。受生物体优化纳微结构的启发，仿生结构复合材料是能够实现高性能、多功能性和环境友好性的材料。因此，对于生物材料的多尺度结构与其功能的相互关系的学习具有重要的科学价值。得益于先进制造技术的飞速发展，增材制造技术具有主动构建多尺度有序结构的能力，这类似于生物体优化其纳微结构有序排列的过程。因此，充分结合仿生设计的理念和多尺度的增材制造技术，为开发和制备具有与自然材料性能相媲美的仿生多尺度结构功能新材料提供了可能性。

  近日，成都大学高等研究院的魏竟江特聘研究员/王清远教授团队与四川大学高分子科学与工程学院的王延青特聘研究员和武汉理工大学的傅正义院士合作在Science全球第一本合作期刊《Research》上发表了题为“Bioinspired Additive Manufacturing of Hierarchical Materials: From Biostructures to Functions”的重磅综述论文。本文综述了天然生物材料的研究现状，重点介绍了从纳米尺度到宏观尺度天然生物材料的化学和结构组成及其特性的关键机制。此外，本文还介绍了通过增材制造在纳米、微观、微宏观和宏观等不同尺度上生产的仿生多功能材料的设计、制备和应用。该综述强调了生物增材制造在开发新功能材料方面的潜力，以及对该领域未来方向和前景的见解。本文通过对天然生物材料及其合成材料的特点进行综述，为开发具有广泛应用前景的新型生物材料提供参考。

本文要点：

  论文链接: https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0164

作者简介：

魏竟江，成都大学特聘研究员。2022年获武汉理工大学博士学位（导师：傅正义院士）。2021年至2022年，在瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的Gustav Nystr?m课题组进行博士联合培养。他目前的研究兴趣包括仿生3D打印水凝胶/气凝胶、仿生柔性可穿戴设备和多尺度分级结构仿生陶瓷的设计制备。研究成果在Adv. Funct. Mater., Interdiscip. Mater., Chem. Eng. J., Research, Compos. Part A-Appl. S.等期刊发表论文10余篇。

王延青，四川大学特聘研究员，四川省“海外高层次人才引进计划”特聘专家，国家制革技术研究推广中心特聘专家，四川省专家服务团专家，日本政府高端引进外国人（日本高度人才1号）。入选四川大学“双百人才工程”计划（2019-2023），日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员（2015-2017）。主要从事超长碳纳米管的单分散原理、碳基材料的设计制备及其在能源、环境相关领域的应用研究，主要包括：超长碳纳米管在非极性有机体系的分散研究、新型高倍率快充锂电池导电剂、低温锂电池负极、钠电池硬碳负极、电磁屏蔽/吸波材料、超级电容器、碳基导热/散热材料、柔性显示材料、先进高分子功能材料等，在Advanced Science，Carbon，Chemical Engineering Journal，Small，J Mater Chem A，Energy Storage Materials等高水平学术期刊上发表论文40余篇。

王清远，四川大学教授。现任成都大学校长。他于1998年获得巴黎中央学院博士学位，1999年至2003年在普渡大学工程学院从事博士后研究，并在鹿儿岛大学担任JSPS研究员。承担和完成重点、杰青和重大科研仪器项目等国家自然科学基金项目。发表Web of Science 收录论文200余篇，被他人引用5000余篇次，2014-2021连续八年入选Elsevier中国高被引学者。2006年获教育部自然科学奖一等奖（第一完成人），2014年、2019年分别获四川省科技进步奖一等奖（第一完成人），2018年、2022年分别获四川省教学成果一等奖（第一完成人），2018年获国家自然科学奖二等奖（第一完成人），2021年入选2020全球前2%顶尖科学家榜单（“生涯影响力”和“年度影响力”双榜单）。

傅正义，武汉理工大学材料学科首席教授，材料复合新技术国家重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者；中国工程院院士、俄罗斯工程院外籍院士、世界陶瓷科学院院士、美国陶瓷学会会士、欧洲陶瓷学会荣誉会士；国家重点研发计划“基础材料”专家组专家，教育部科技委材料学部委员；国家自然科学基金委创新群体、国防科技创新团队学术带头人。长期从事多功能陶瓷与陶瓷基复合材料、结构/功能一体化复合材料、新结构与新材料体系探索、原位反应合成与制备新技术、高效烧结与加工新技术、材料过程仿生制备新技术等方面的研究。先后获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步三等奖1项、省部级科技与教学奖励一等奖7项，发表高水平学术论文400余篇，获授权发明专利90余项。