从骨骼到蜘蛛丝和木材的生物材料是轻质纤维复合材料，以复杂的分层结构排列，通过定向自组装形成，以展示出色的机械性能。当这种生物感受的刚性和轻质材料通常被开发用于飞机，汽车和生物医学植入物中的应用时，它们的制造需要能量和劳动密集的制造工艺。所制造的材料还表现出脆性断裂特性，难以成形和再循环，与自然的机械性能形成鲜明对比。现有的基于聚合物的轻质结构制造限于3-D印刷，机械强度和取向差，而高度取向的硬聚合物限于构造简单的几何形状。为了将结构成形的自由度与分子取向相结合，最近开发了液晶聚合物的3D打印。尽管获得了理想的形状变形效果，但由于其分子结构，软弹性体的杨氏模量低于高性能液晶合成纤维。
为了充分利用三维印刷的成型自由度和分子取向液晶聚合物（LCP）的有利机械性能，苏黎世联邦理工学院材料系的一组科学家提出了一种新方法。该策略遵循两种设计原则，这些原则在自然界中用于形成坚韧的生物材料。最初，各向异性通过LCP墨水沿打印路径的自组装在印刷过程中实现。此后，利用3D打印过程提供的复杂成形能力，根据环境载荷条件定制结构的局部刚度和强度。在这项研究中，Silvan Gantenbein及其同事展示了一种生成三维轻质，可回收结构的方法，该结构具有分层结构和复杂的几何形状，具有前所未有的刚度和韧性。结果现已发表在Nature上。
该新型材料的特征源于液晶聚合物分子自组装成高度取向的区域 - 在原料材料的挤出过程中实现。将分子域定向为印刷路径增强了聚合物结构以满足预期的机械应力。结果导致开发出具有强度和韧性的材料，其性能优于最先进的3-D印刷聚合物，可与最高性能的轻质复合材料相媲美到目前为止。该研究证明了将自上而下的3D打印与自下而上的聚合物取向分子控制相结合的能力，开启了自由设计和制造结构的可能性，避免了现有制造工艺的典型限制。
通过结构，芳族热致聚酯的刚性分子链段可以自组装成向列结构域在高于材料熔化温度的温度下。通过3-D打印机喷嘴的聚合物熔体挤出产生剪切和延伸流场，其在流动方向上对齐向列区域。随后在长丝的冷表面和其热的内部之间形成温度梯度，以在表面快速冷却，从而在流动对准的布置中引起固化。存在于长丝内部的聚合物链经历由热运动驱动的较慢冷却以重新定向。结果，挤出的长丝具有核 - 壳结构，其中高度对齐的皮肤包围较少取向的核。皮肤的厚度取决于长丝的直径和工作温度。
LCP丝的性质与印刷条件相关，a）拉伸试验的垂直丝的假彩色扫描电子显微镜图像证实了核 - 壳结构。纤维的核心仍然完好无损，表明LCP的外壳是较硬的相，b）100μm横截面的偏振光显微镜证实了垂直（b）和水平的核 - 壳结构的存在。 （c）与芯相比，印刷长丝的表皮更强烈照射所表明的长丝，d）X射线衍射测量证实较薄样品中取向聚合物的比例较高。随后在不同条件下计算样品的杨氏模量。图片来源：Nature Letter doi：10.1038 / s41586-018-0474-7。
使用简单的分析传热模型确定印刷参数对最终核 - 壳结构的影响。作者使用光学显微镜和X射线散射实验来确认高度对齐的皮肤结构。与先前使用熔融沉积建模（FDM）的研究相比，核 - 壳丝显示出显着的机械强度和弹性模量。材料的杨氏模量依赖于比喷嘴直径更薄的长丝的生产，以有效地改善印刷材料的刚度和强度。其他因素包括制造温度，层高度，分子交联和退火时间都会影响印刷材料的杨氏模量。
科学家在材料表征过程中观察到应力 - 应变测量的多个应力峰值，类似于生物材料（如骨骼）的增韧机制。这归功于热处理工艺，以增强长丝之间的交联以进行应力传递; 通过防裂机制防止分层。退火层压板的高韧性被认为是由大分子和长丝的分级交联产生的。
材料结构通过逐层添加剂制造实现了自组装和分层大分子交联策略，以复制生物启发的设计原则。通过调整纤维取向以最佳匹配整个机械加载结构中的应力线，实现具有更高强度和杨氏模量而没有阻尼损失的高性能层压材料。随后的产品展示了轻质材料前所未有的特性。
聚乳酸），d，e）示例具有复杂纤维结构几何形状的3D打印LCP部件：d）抗冲击Bouligand型结构，带有扭曲的胶合板排列的印刷纤维和e）生物医学植入物，带有局部轴承增强，其中打印线被编程遵循孔周围的主要应力方向。信用：Nature Letter doi：10.1038 / s41586-018-0474-7。
印刷的LCP超越了现有的材料类型，包括增强聚合物和连续纤维印刷复合材料，以匹配碳纤维增强聚合物的刚度和强度。该工艺的其他功能包括可回收性，自动化制造和更低的碳足迹。3-D打印技术和提出的添加剂技术允许生成特定应用的复杂几何形状。作者设想，通过结合基于3D打印的路径控制，以及墨水中自组装构建块的可调节方向，可以实现轻质材料无与伦比的层次结构复杂性。该战略开辟了制造能够满足各种要求的结构的可能性具有循环生命的可持续材料。
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