在WILEY出版社旗下的纳米材料领域旗舰期刊《SMALL》新封面上，机器人正在折叠一只折纸天鹅，它逐渐变成一只活天鹅。这是对研究群体提出的折叠折纸生物材料晶格以用于组织再生的自动折叠机制的认可。将平板折叠成3D结构是制造功能化超材料的一种有潜景的方法。研究人员开发了一种自动折叠方法，以折叠由表面纳米图案覆盖的许多小晶胞组成的刚性晶格结构。
将纳米图案化的平板折叠成复杂的3D结构使得能够制造将合理设计的3D结构与纳米级表面特征相结合的生物超材料。自折叠是实现这种材料的一种有吸引力的方法。然而，自折叠晶格通常太合规了，因为易折叠要求和最终承载特性之间存在固有的竞争。受金属板成形的启发，本文提出了一条替代路线，用于制造折纸。这种“自动折叠”方法允许在厚金属板中引入尖锐的褶皱，从而提高其刚度。首次实现了具有模拟骨骼力学特性的自动折叠折纸格。所提出的方法是高度可扩展的，因为构成生物超材料的晶胞可以是任意大的数量和小的尺寸。为了证明所提出的方法的可扩展性和多功能性，研究团队制作了具有>100个晶胞的折纸式结构、晶胞小至1.25mm的晶格和拉胀晶格。在折叠之前，纳米图案化薄板的表面。在折叠过程中，这些纳米级特征受到薄涂层的保护而保持完整。研究发现，与非图案化样品相比，纳米图案化折叠样品显示出显著增加的矿化度。
代尔夫特理工大学（TU Delft）生物力学工程系提出了“自动折叠”的替代方法，以解决相关自折叠过程的局限性。受金属板成形工艺的启发，研究团队开发了小型折叠装置，可以折叠由大量小晶胞制成的折纸晶格。这种方法允许在厚（金属）薄板中实现尖锐的永久折叠。褶皱的锐度、片材的大厚度（与褶皱的曲率相比）以及使用任何材料（包括金属）的自由度都会导致高的骨模拟刚度值，同时也能包含适合骨组织再生的孔径（即300–900µm）。生物超材料设计中提供的可扩展性也扩展到晶胞的尺寸，因为所提出的方法高度易于小型化。事实上，限制单元尺寸的主要因素是应用微机械加工技术的精度。研究团队使用所提出的方法演示了有史以来第一次实现具有模拟骨骼力学特性的自动折叠折纸晶格。为了展示可以实现的单位细胞的多功能性，还折叠了具有凹凸特性（即负泊松比）的折纸晶格。最后，演示了通过微加工厚钛片，然后使用电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP RIE）进行表面纳米图案化，在折叠过程中应用保护层以保留纳米图案，以及使用体外细胞培养试验对折叠样品进行生物学评价。
图文快览
刚性立方晶格的制作。a）立方体晶格结构的“切片”。b）立方晶胞阵列的折叠序列。c）使用外部折叠装置的立方体“层”的两步折叠过程的示意图。d）将折叠的“楼层”组装成立方体晶格结构。e）具有不同数量晶胞的折叠立方晶格的照片。f）一枚10欧元硬币的顶部显示了具有不同晶胞尺寸（w=1.25 mm和w=2.0 mm）的立方格子
折叠立方晶格的力学性质。a）平面材料和折叠结构的初始几何形状的示意图。b）折叠立方体结构的SEM图像显示了尖锐的折叠线。c）生物相容性粘合剂的实验室剪切试验结果（n=3）。d）×3立方晶胞（n=3）折叠晶格的压缩试验结果
折叠后凹结构。a）两步折叠过程和随后的凹入式晶格结构组装的示意图。b）具有不同再入角θ值的预制拉胀晶格的照片。θ角为c）75°和d）105°的晶格的泊松比作为压缩应变的函数
表面功能化。a）纳米图案化和表面保护步骤的示意图。b）bTi表面在生产过程的不同阶段的SEM图像
在折叠晶格结构上培养的成骨细胞的成骨反应。a）培养9天后Runx2的代表性免疫荧光图像。抛光和bTi晶格之间没有发现显著差异。b）Alizarin红S染色后（第14天）矿化结节的代表性图像。与抛光样品相比，bTi晶格的矿化面积明显更大。使用Welch校正的未配对t检验，*p<0.05
本文提出了一种制造高模量折纸晶格的方法，其（内部）表面用纳米级表面装饰物装饰。虽然该方法原则上可以应用于广泛的材料，但研究证明了有效模量高达0.5GPa的立方体晶格的折叠，拉胀和非拉胀六边形晶格的折叠以及具有成骨表面纳米图案的晶格的折叠。薄涂层的应用足以在激光切割和随后的折叠步骤期间保护表面纳米图案。体外实验证实，与非图案化的3D晶格相比，纳米图案化3D晶格表现出增强的成骨反应，包括明显更高的矿化度。
所提出的折叠方法在晶胞的数量方面是高度可扩展的。选择特定的折叠模式，其允许在两个单独的步骤中分离折叠过程。然后可以使用简单的折叠装置来折叠具有大量晶胞的晶格结构。事实上，要求可以在两个单独的步骤中解耦折叠过程限制了所提出的折叠方法的设计自由度。当放宽这一要求时，可以达到更大的设计自由度。然而，这将限制所提出的折叠方法在合并的晶胞数量方面的可扩展性。
骨替代生物材料要求孔径在200–2000µm范围内，尽管通常认为最佳孔径在300至900µm之间。为了证明所提出的折叠策略的可扩展性，此项研究从50µm厚的钛板上折叠了一个单元尺寸为1250µm的立方体晶格。原则上，如果使用更先进的生产技术（如微铣削）来制造折叠装置，则可以进一步实现小型化。
此项研究报道了有效模量为0.5GPa的晶格结构的制造，这在文献中报道的小梁骨的值范围内。增加折叠结构弹性模量的一种方法是减小晶胞的尺寸，以便在类似体积中容纳更多晶胞。这将增加结构的承载能力。另一种策略是堆叠几个厚度相对较小的松散连接片材，同时折叠这些薄板，以实现大厚度值和增加弯曲锐度的理想组合。
此项研究只将表面纳米图案应用于此处使用的薄板的一侧。将纳米图案应用于薄板的两侧有望进一步增强所得的生物超材料的成骨潜力。虽然没有根本原因说明这可能不可能，但仍有一些实际挑战需要首先克服。特别是，需要开发定制技术，以在另一侧被图案化时保护已经图案化的一侧。
鉴于可以制造包括大阵列的小互连单位细胞的高模量生物功能化折纸晶格，所述方法为折叠晶格作为承载元生物材料的应用铺平了道路。这种超材料可以由多种材料制成，而不同类型的表面相关功能可以嵌入最初的平坦材料中。尽管应用方法的某些方面可以从进一步优化中受益，但所提出的方法满足了生物超材料的所有主要设计目标，包括生物相容性、完全可定制的表面纳米图案、骨模拟机械性能、成骨行为、适当的孔径范围和可扩展性。因此，所提出的生产技术可以作为进一步生物评估折纸启发的生物超材料的平台，包括体外和体内实验。
原文来源：© 2022 The Authors. Small published by Wiley-VCH GmbH.Automated Folding of Origami Lattices: From Nanopatterned Sheets to Stiff Meta-Biomaterials；https://doi.org/10.1002/smll.202203603.
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