王成毓，孫淼

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，黑龍江省木材仿生功能化技術創(chuàng)新中心，哈爾濱150040)

木材作為一種生物質資源，由于具有良好的韌性以及輕質、高硬度、高強度、生態(tài)可持續(xù)的特性而被廣泛應用于制造、建筑、包裝、運輸等各個領域。隨著研究人員對木材結構與功能之間關系更加深入系統(tǒng)的探索，發(fā)現(xiàn)木材所具有的獨特各向異性分級多孔結構[1-3]和豐富的化學成分組成[4]共同賦予了木材多種優(yōu)異的性能，從而被逐漸應用于先進氣凝膠[5]、柔性電子器件[6]、生物工程[7]、綠色能源[8]等領域。然而，天然木材本身也具有一些缺陷。例如，易燃并且易受生物菌或真菌等微生物的侵蝕而造成腐朽，以及隨著季節(jié)的遷移，環(huán)境中的光照和相對濕度等一系列因素的改變會造成木材尺寸的變化，從而發(fā)生不規(guī)則的形變。雖然木材具有可再生性，但是樹木的生長與成型卻需要數十年與數百年的時間，因此，如果能制備出可以替代木材的功能性仿生木材必將具有重大的意義。

圖1 納米尺度下天然木材的層次結構[15-16]Fig. 1 Hierarchical structure of natural wood at the nanoscale

傳統(tǒng)的蜂窩狀多孔材料[9]，比如多孔金屬材料[10]、多孔高分子材料[11]、多孔凝膠材料[12]和多孔陶瓷基材料[13]等，這些各向同性多孔材料，雖然它們的泡孔率較高，但是這反而降低了其各個方向的力學性能，并且制備過程復雜以及可控性差等不足導致它們的發(fā)展受到了一定的限制。然而，仿生人工木材的出現(xiàn)改變了這一狀況。受天然木材系統(tǒng)中結構與功能關系[4]的啟發(fā)，俞書宏院士團隊首次提出了仿生人工木材這一概念[14]，開發(fā)了一種由冰晶誘導自組裝和熱固化相結合的技術，利用傳統(tǒng)的熱固性樹脂材料制備了一系列高附加值的多功能樹脂基仿生人工木材，并且系統(tǒng)性地闡述了仿生人工木材的概念、制備機理以及制備過程中的影響因素和后續(xù)應用等。其中，該制備策略主要是通過將高分子聚合物和與之相適的先進制備手段相結合進行仿生材料可控的制備，從而獲得與天然木材獨特的各向異性取向孔道相似的結構以及更加優(yōu)異的力學性能。這是天然材料和傳統(tǒng)多孔工程材料所不具備的。

筆者綜述了近年來仿生人工木材這種新興功能材料的制備與性能的研究進展，詳細闡述了仿生人工木材的制備設計原理，介紹了目前所采取的制備方法以及它們的適用性和優(yōu)缺點，同時討論了制備工藝對結構取向以及性能的影響。最后，對仿生人工木材的功能化應用進行了總結梳理，對目前的發(fā)展狀況和未來的發(fā)展趨勢進行了分析和展望。

1 仿生人工木材的制備原理

與傳統(tǒng)多孔材料制備方式不同的是，受天然木材獨特的結構與力學性能之間關系的啟發(fā)，仿生人工木材的制備側重點將同時放在結構通道的形態(tài)完整性和基質聚合物的選擇上。

1.1 仿生人工木材的結構設計

由于億萬年的進化，天然木材獨特的分級多孔結構[15-16](圖1)從細胞壁的宏觀尺度延伸到納米尺度。天然木材主要由兩種不同系統(tǒng)的細胞組成，分別是軸向系統(tǒng)和徑向系統(tǒng)。在徑向系統(tǒng)中，有許多顏色較淺、從樹干中心向樹皮方向呈輻射狀排列的細胞構成的組織，這些細胞主要是射線薄壁細胞，這些組織被稱為木射線。但某些針葉樹材中，木射線是由射線薄壁細胞和射線管胞共同組成。其中射線管胞為厚壁細胞，射線是樹木的橫向組織，起到橫向輸送和貯存養(yǎng)料的作用。而軸向系統(tǒng)主要是與樹干中軸平行的細胞組成的垂直排列的微米級通道，該通道用來傳輸水分、離子和養(yǎng)分。同時，賦予了木材很高的孔隙率和較低的密度，這種主要與木材生長方向一致的孔道結構有利于增強木材的機械強度。

此外，木材孔道細胞壁對木材的機械性能也起著至關重要的作用。在顯微構造水平上，細胞是構成木材的基本形態(tài)單位。而木材細胞壁的結構往往與木材的力學性能以及宏觀表現(xiàn)的各向異性相關，因此，對木材在細胞水平上的研究也可稱為對細胞壁的研究。木材孔道的細胞壁主要由纖維素、木質素以及半纖維素組成(圖1)。纖維素因為其含量豐富、具有大分子長鏈與豐富的羥基基團，以分子鏈聚集排列成有序的微纖絲束狀態(tài)存在于細胞壁中，賦予木材抗拉強度，起著骨架作用；半纖維素是無定形物質，分布在微纖維之中，稱為填充物質；木質素是一種由苯丙烷單元通過醚鍵與碳碳鍵相互連接，通過化學交聯(lián)的無定形多酚聚合物，滲透在骨架物質之中，起到加固細胞壁的作用。細胞壁成分的物理作用特征使木材具有了“鋼筋-混凝土”結構，這進一步加強了孔道細胞壁抗壓縮和彎曲的力學性能。

所以，仿生人工木材的結構設計主要從結構和材料兩個角度出發(fā)，得到材料的性能取決于基質材料的性質和孔道結構的完整性，具體需要考慮的問題是基質聚合物的選擇和各向異性的孔道[17]的設計。

1.2 仿生人工木材的原料選擇

受木材化學組成結構特性的啟發(fā)，選擇能夠構成類似“鋼筋-混凝土”復合結構[18]的聚合物是作為基質原料的重要原則。

近10年來，應用于仿生結構鑄造工藝中，可以作為支撐結構的生物大分子包括殼聚糖[19]、纖維素[20]、淀粉原纖維[21]、支鏈淀粉[22]、蠶絲蛋白[23]、膠原蛋白[24]和魔芋葡甘聚糖[25]等。因此，在仿生人工木材的制備中，上述大分子也有望成為該復合結構中能起到支撐作用的“鋼筋”組分原料。其中，纖維素和殼聚糖在該工藝中研究比較廣泛。在現(xiàn)已制備出來的仿生人工木材中，Yu等[14]以樹脂為基質材料，為防止結構塌陷，添加了具有形狀記憶性的殼聚糖[19]材料，這種生物大分子結構堅固，具有形狀記憶性能、生物活性、無毒可降解性等優(yōu)點，使復合材料在受到循環(huán)壓縮時仍可以保持其形狀記憶的特性。該研究說明了殼聚糖材料能夠起到支撐作用，有作為“鋼筋”材料的潛力。因此，以纖維素、殼聚糖等生物大分子材料作為基體材料制備仿生人工木材，在具有各向異性結構的同時，具有綠色可再生性，拓展仿生人工木材在生物領域的應用，是需要進一步實驗和探索的。

同時，在已有“鋼筋”結構的基礎上，還需要“混凝土”結構組分作為增強體來構成一個完整的基體。在眾多高分子聚合物中，可以選擇具有與木質素化學結構類似，進行網狀交聯(lián)的高分子聚合物作為主要基體材料。這種材料的選擇可以賦予仿生人工木材強于天然木材的機械性能，從而可以達到“神似”的目的，如硫化橡膠、熱固性樹脂等。在現(xiàn)已成功制備出的仿生人工木材中，選擇了具有網狀交聯(lián)結構的酚醛樹脂、密胺樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂這一系列熱固性樹脂作為基質材料，同時材料本身還具有阻燃性，又可以賦予仿生人工木材擁有天然木材所不具備的防火、防腐蝕等性能。

然而隨著對高分子聚合物的不斷深入研究，這種具有剛性網狀交聯(lián)結構的聚合物或許并不是仿生人工木材基質材料的唯一選擇，還會有許多能夠起到類似作用的工程材料也可以作為基質。通過物理或化學作用增強組分，不僅在力學性能上可以強于天然木材，同時也可以賦予仿生人工木材更多的功能性，如物質的定向運輸、隔熱防火、輕質高強等。

另一方面，基質材料必須與后續(xù)的結構鑄造方法相適應，尤其是在特定溶劑中的溶解度。如采用冷凍鑄造技術制備仿生人工木材時，聚合物原料必須在溶劑中均勻分散或溶解。因此，基質材料的選擇對仿生人工木材的制備具有顯著的影響。如何選擇、開發(fā)新型的基質材料，如何找到一種匹配、兼容的處理方法，使材料與鑄造方法相融合，并且同時實現(xiàn)各向異性的通道結構特性是目前面對的巨大挑戰(zhàn)。

2 仿生人工木材的制備方法

仿生制備具有天然木材這種獨特的分級結構以及各向異性孔道結構的材料，已經成為在不同領域中制造高性能結構和功能材料的一種重要的方法。這種三維有序多孔材料[26]已經歷了一段較長的發(fā)展時期，目前科學家們已探索了許多不同的制備方法，例如模板誘導法[27]、3D打印法[28]和冷凍鑄造法[29]，如圖2所示。

a)模板誘導法;b)3D打印法;c)冷凍鑄造法。圖2 制備三維有序多孔材料的方法原理[27-29]Fig. 2 The principle of the method for preparing three-dimensional ordered porous materials

2.1 模板誘導法

模板誘導法是合成多級復合孔微納米材料的常用方法之一,主要是以一種物質作為模板，使得前驅體與模板相互作用，在實驗過程中通過對影響因素的有效調控，合成具有一定結構的納米材料。模板法主要包括硬模板法、軟模板法以及氣泡模板法3類。其中，硬模板的去除需要用到有毒溶劑，且耗時較長。軟模板法中多為有機溶劑，具有一定的毒性并且穩(wěn)定乳液體系的構建較難。而新型的氣泡模板法操作條件溫和、簡便、成本較低，較為綠色環(huán)保而不斷地被應用起來。Zhang等[30]以氧化石墨烯液晶(GOLC)為原料，采用氣泡模板法(圖2a)，使得GOLC相被排除在緊密堆積的氣泡中，產生了一個相互連接的凝膠網絡，最后得到具有有序多孔結構的石墨烯氣凝膠。但是，在制備過程中前驅體粒子性質以及溶劑性質對氣泡的穩(wěn)定性具有一定影響，并且氣泡尺寸與分布不是完全精準可控，從而會影響結構構筑的規(guī)則性，所以對于結構可控三維納米材料的制備，該技術仍亟待發(fā)展。

2.2 3D打印法

3D打印[31]是近年來興起的一種快速成型技術(圖2b)，采用計算機建模的方法，通過逐層疊加的方式來構筑目標材料，以實現(xiàn)高復雜度和功能性材料的制備，從而適用于仿生材料的制備。Peng等[32]以聚氨酯和碳納米管為原料，通過3D打印技術，得到了具有多孔結構的傳感器。Kleger等[33]實現(xiàn)了NaCl膠體模板的3D打印，通過對鎂熔液進行壓力鑄造，實現(xiàn)了多孔鎂支架的3D打印成形。3D打印多孔鎂支架的孔隙率可在較寬的范圍內進行調整，且具有可控的孔隙形態(tài)與宏觀結構，從而可以被用于生物支架材料。雖然3D打印技術作為一種制造多孔材料的替代策略，為生成特定設計具有各向異性的理想結構提供了一種可行的辦法，但是這種方法加工成本過高，生產效率低并且在印刷后難以保持良好的持形能力。為此，如何同時增強多孔材料的力學性能和多功能性，尤其是在特定方向上，是這個技術面臨的關鍵性挑戰(zhàn)。

2.3 冷凍鑄造法

冷凍鑄造法由于其冷凍可控性[34]而被廣泛應用于多孔材料制備中，其過程原理如圖2c。隨著調控冷凍方式的不斷優(yōu)化，冷凍鑄造法經歷了一定的發(fā)展歷程(圖3)。初始的傳統(tǒng)定向冷凍法[35](圖3a)，只在垂直方向上設計了溫度梯度進行定向冷凍。這種方法使得水平方向上冰晶的生長不可控，所以獲得的片層結構水平方向是不規(guī)則的。為了解決這一問題，Zhao等[36]同時構建了水平和垂直兩個方向的溫度梯度，開發(fā)了雙向冷凍技術(圖3b)，實現(xiàn)了對多尺度結構的可控制備，而且規(guī)則有序的結構具有更加優(yōu)異的力學性能。而對于三維網狀有序多孔結構的制備，研究人員開發(fā)了一種新型的液氮循環(huán)凍融法。Li等[37]將氧化石墨烯(GO)溶液在液氮中快速冷凍(圖3c)，得到具有超高比表面積的多孔結構材料，實現(xiàn)了微孔至中孔和大孔體系多孔結構共存，提高了離子與電荷的傳輸效率。Lu等[38]通過這種方法制備了木質纖維素氣凝膠(圖3d)，實現(xiàn)了氣凝膠網絡結構、孔道結構的有效調控以及高的比表面積。

a)定向冷凍法；b) 雙向冷凍法； c) 液氮速凍法； d)液氮循環(huán)冷凍法。圖3 冷凍鑄造工藝的發(fā)展歷程[35-38]Fig. 3 Development history of freeze casting process

冷凍鑄造技術可以對材料進行可控制備，這源于冷凍鑄造技術原理[39]的研究。探究發(fā)現(xiàn)，可以通過適當調整特定的工藝變量以改變材料孔徑的大小、形狀以及孔壁的薄厚，實現(xiàn)結構的可控性。最后得到的目標孔道結構是長程有序并且具有各向異性，同時也具有低密度和高的比表面積等優(yōu)良性能。這種工藝方法簡單、使用方便，而且以水作為最常用的溶劑對環(huán)境友好且無污染。同時，在結構構建過程中不同溶劑產生的冰模板可以賦予材料獨特的結構形態(tài)，并且在固化的過程中會使聚合物進一步交聯(lián)，從而擁有良好的機械性能。所以，從目前的發(fā)展階段看，冷凍鑄造技術是制備仿生人工木材最合適的方法。

近年來，冷凍鑄造在陶瓷、金屬、聚合物、生物大分子、碳材料等可控多孔材料的制備方面得到了廣泛的應用，可以賦予新型材料多種新性能和更廣泛的適用性。Hua等[40]采用了分子和結構工程方法的組合，通過使用“冷凍鑄造”的方法并輔助“鹽析”處理的策略，將聚合物鏈聚集并結晶成堅固的原纖維，由此產生了新型高強度的聚乙烯醇水凝膠(HA-PVA)，具有多個不同尺度的連接結構。這些多重結構的層次結構類似于生物對應結構，賦予材料更堅固、更可拉伸的優(yōu)異性能。張君妍等[41]以天然的細菌纖維素納米纖維和鉀及三甲氧基硅烷為原料，采用了“冷凍誘導鑄造和干燥驅動礦化”的新型策略，獲得了高度多孔的三維網絡的雜化氣凝膠材料。纖維胞狀孔結構、“軟-硬”協(xié)同的納米骨架單元，以及骨架單元間強交聯(lián)點和表面大量的Si-CH3基團，賦予了納米纖維雜化氣凝膠結構穩(wěn)定性和超彈性能。

這些技術不僅在微觀結構上具有良好的可控性，還促進了大量具有理想形態(tài)和功能特征的仿生人工木材的產生。同時，它也為制備新型納米復合材料提供了一種新途徑。所以，仿生人工木材的不斷發(fā)展使其有望成為傳統(tǒng)仿生工程材料和天然木材的替代品。

3 仿生人工木材的功能化

獨特的取向通道結構和良好的機械性能賦予天然木材良好的力學特性，被廣泛應用于各個領域，而仿生人工木材有著與其相似的結構和更優(yōu)異的力學性能。隨著技術手段的不斷發(fā)展，仿生人工木材的結構也會更加優(yōu)化，并且材料的快速發(fā)展也會帶來更多的選擇性。這將會賦予這種新型材料更多潛在的性能，為不同的應用領域帶來更多的可能性。

受木材多孔納米結構功能化的啟發(fā)，利用仿生人工木材中的可控各向異性多孔性，可以采用許多不同的方式來進行功能化。這包括可以對材料進行表面修飾，對孔隙內壁進行修飾，也可以對孔道內進行功能材料填充復合。這意味著我們可以利用仿生人工木材這種多孔結構作為基體，根據功能導向來對新型材料的制備策略進行設計。

近年來，具有成本效益的能源儲存與生產是重要的焦點領域，其中高性能電化學儲能器件的開發(fā)對未來便攜式電子設備、電動汽車及智能電網的快速發(fā)展有著至關重要的作用。而分層多孔結構在各種儲能系統(tǒng)中也起著重要的作用，尤其對物質傳輸的增益有助于設計新一代的電學與電化學器件；因此復合導電材料如電池[42]、太陽能電池[43]、超級電容器[44]等都成為了研究的熱點。以電池為例，電極結構與性能之間的關系是一個非?；钴S的研究領域。Li等[45]受木材各向異性多孔結構的啟發(fā)，以Si為前驅體通過水熱法和冷凍干燥方法制備了獨特的多孔道模版，再通過化學氣相沉積法(CVD)在多孔基體上生長石墨烯，最后得到了一種多孔道管狀石墨烯網絡(MCTG)(圖4a、b)?；?D多孔道結構能夠促進離子與電子的傳輸和石墨烯良好的導電性優(yōu)點(圖4c、d)，MCTG/S正極(負載70%質量分數的硫)在0.1C倍率下實現(xiàn)了1 390 mAh/g的高初始放電容量，彰顯出了這種新型鋰硫電池的獨特優(yōu)勢，同時也證明了結構取向可以顯著提升電池或超級電容器的倍率特性和離子或電子的傳輸能力。具有各向異性的多孔結構可以提供較低的曲折度和足夠的表面積，這是設計高性能儲能設備所需要的。然而，實現(xiàn)電容器的高負載和高容量，仍需要對材料結構和制備工藝進一步優(yōu)化。Zhao等[46]受木材各向異性多孔結構的啟發(fā)，制備了一種取向結構可控的高性能柔性全固態(tài)超級電容器(圖4e、h)。該研究發(fā)現(xiàn)，通過在前驅體溶液中加入少量聚乙烯醇，可以使采用定向冷凍方法制備的聚丙烯酰胺氣凝膠(APA)的孔徑降到12 μm(圖4f)。通過對其凝膠孔徑的控制，使得制備的電容器擁有高的面電容(831 F/cm2)以及高功率密度(4 960 μW/cm2，73.8 μWh/cm2)。其中該器件的面積容量是普通取向器件的259%，是無取向器件的403%(圖4g)。電化學材料中擁有各向異性的結構保證了電子和離子在多孔基質中的高效遷移，所以，可控各向異性多孔結構對于優(yōu)化能源材料中的熱能、電子和離子傳輸性能具有重要意義，并且這種制備取向材料和物料負載的策略具有通用性、多功能性和可控性。這為高性能電化學儲能器件的發(fā)展提供了新的機遇。

a,b)MCTG高性能鋰硫電池的制備過程；c)N2吸附-脫附等溫線和；d)MCTG和SiO2氣凝膠的孔徑分布；e,h)柔性全固態(tài)水凝膠超級電容器照片；f)通過調節(jié)前驅體溶液中PVA的含量來調節(jié)APA的孔徑；g)與其他具有代表性的柔性全固態(tài)超級電容器進行比較。圖4 仿生人工木材在電化學儲能器件上的應用[45-46]Fig. 4 The applications of bioinspired artificial wood in electrochemical energy storage device

在吸附領域中，相比于無序多孔結構，取向孔道網絡結構在流體輸送過程中有著高效突出的表現(xiàn)，在水中去除燃料[47]、原油吸附[48]、海水淡化[49]以及吸附空氣污染物[50]等領域都有良好的表現(xiàn)(圖5)。Dong等[51]模擬生物質纖維的孔道結構和多孔管道壁，并在此基礎上構建垂直排列的管道，設計了一種可以高效運輸水分和鹽的納米纖維太陽能蒸發(fā)器(CNFAs)(圖5e、f)。在海水淡化領域中，傳統(tǒng)蒸發(fā)器因缺乏互相連通的孔道結構從而出現(xiàn)了鹽結晶堵塞以及蒸發(fā)器耐受能力差等一系列問題。這種新型蒸發(fā)器獨特的取向多孔結構，實現(xiàn)了鹽、水的高效運輸，并且在傳統(tǒng)蒸發(fā)器出現(xiàn)問題的解決上取得了突破性進展。通過冷凍鑄造的各向異性多孔結構，基于其本身低密度、高孔隙率、高比表面積等結構優(yōu)點，而被進行廣泛的設計和應用。Cai等[48]制備了一種用于解決高黏度原油泄漏的仿生木材多維結構的超彈光熱MXene氣凝膠，采用冷凍鑄造的方法，通過調控冷凍等工藝實現(xiàn)了木材多維孔道仿生結構的復刻。由于該氣凝膠擁有多維孔道網絡結構，從而具備優(yōu)異的液體運輸性能以及壓縮回彈性能，并且多維孔道對于光的多重反射和MXene優(yōu)異的光捕捉能力，實現(xiàn)了對海水中高黏度重油的高效快速吸附。該工作在海洋原油吸附材料領域中取得了一定的進展并且對開發(fā)新型仿生多功能材料提供了新的思路。

a)海水淡化;b)空氣凈化;c)原油/有機物吸附;d)重金屬/染料吸附;e)傳統(tǒng)蒸發(fā)器與CNFAs海水淡化過程的原理示意圖;f)CNFAs的耐鹽性與傳統(tǒng)SiO2蒸發(fā)器表面的沉積鹽。圖5 仿生人工木材在吸附領域上的應用[29,47-51]Fig. 5 The applications of bioinspired artificial wood in the field of adsorption

同時，新型高性能多孔結構生物醫(yī)用材料[52]的開發(fā)也是一個重點領域。生物醫(yī)用材料主要被用于藥物控釋輸送、促進細胞與組織的生長、臨床診斷以及生物傳感等方面,所以從仿生學的角度來看，植入人體中的材料要與人體相互融合、相互適應，從而完全恢復正常結構和功能。在組織工程領域中，生物材料通過作為結構支撐的支架、植入的生物活性分子以及細胞的共同作用來實現(xiàn)醫(yī)用修復或替代。這一策略已經成為再生醫(yī)學發(fā)展的一個重要方向，其中支架材料對細胞的黏附、擴散、增值、分化起著至關重要的作用，所以如何選擇原料并制備支架材料已經成為組織工程領域的關鍵問題。

受天然木材有序、定向多尺度多級結構的啟發(fā)(圖6a)，Jiang等[53]將竹纖維、納米羥基磷灰石、聚乳酸-乙醇酸為原料，通過冷凍干燥法，制備了一種具有高孔隙率和高壓縮率的復合支架，并且表現(xiàn)出了良好的細胞相容性。由此可見，該支架具有作為骨組織工程支架材料的巨大潛力。具有定向多孔結構的支架有助于細胞和細胞外基質的再生具有至關重要的作用，Pot等[54]以白蛋白、聚乙烯醇和膠原聚合物為原料采用冷凍鑄造的方法，通過控制不同冷凍溫度或前驅體溶液的濃度構建了具有可調孔徑以及其形態(tài)的膠原蛋白支架(圖6b、c)。這種制備策略提供了更加精細的方法來制造具有各向異性、強固、生物相容性的支架材料，在骨骼修復[55]領域具有一定的應用潛力，同時可以預見未來會有更多的研究將木材結構啟發(fā)的取向多孔結構應用到生物醫(yī)用材料領域。

仿生人工木材作為一種新興的材料體系，對其的研究才剛剛起步，無論是在原料選擇、結構設計、性能開發(fā)還是應用領域上，都有很多改進和創(chuàng)新的空間，從而賦予仿生人工木材未來發(fā)展更多的可能性。

a)木材與骨頭都具有各向異性的分層多孔結構示意圖；b)不同濃度前驅體溶液對孔徑大小影響；c)冷凍溫度不同的液氮(-196 ℃)和干冰(-78 ℃)對孔徑大小影響的電鏡圖。圖6 仿生人工木材在生物醫(yī)用材料上的應用[54-55]Fig. 6 The applications of bioinspired artificial wood in biomedical materials

4 展 望

受到天然木材的獨特結構的啟發(fā)，同時又考慮到力學性能的要求，通過對天然木材的微觀結構和構成進行了深入的研究分析，得出了各向異性的孔道與孔道壁是制備仿生人工木材的兩大要點，并且闡明了選擇基質聚合物所要遵循的原則。介紹了仿生木材多孔結構的制備方法，闡述了選擇冷凍鑄造技術作為制備仿生人工木材的最佳方法的原因，詳細討論了這一工藝技術不斷優(yōu)化的發(fā)展歷程，以及可以實現(xiàn)具有可控性的各向異性多孔結構目標的工藝優(yōu)點，通過對該方法中變量的有效控制，能更好地制備出目標結構形態(tài)，實現(xiàn)多功能化，從而得到更廣泛的應用。

然而，仿生人工木材作為一種新型材料在合成更復雜的結構、改進其形態(tài)以及功能的控制等方面仍然面臨著許多挑戰(zhàn)：

1)在制備仿生人工木材時替代基質聚合物的選擇非常有限，并且目前所選用的基質成分主要是水溶性酚醛樹脂、密胺樹脂等熱固性樹脂，而其他具有苯環(huán)剛性結構的非水溶性熱固性樹脂也具有作為基質材料的潛力，所以需要繼續(xù)選擇和開發(fā)新型有效的基質原料。與此同時，也要著重考慮環(huán)境友好這一因素，例如蠶絲蛋白、淀粉等具有良好環(huán)保性的生物基材料是一種不錯的選擇。從原料選取和工藝過程方面，強化可生物降解或可回收以及環(huán)境友好特性，將“綠色化學”理念融入仿生人工木材這一材料系統(tǒng)中，可為“碳達峰”“碳中和”目標的實現(xiàn)作出貢獻。

2)運用冷凍鑄造技術目前雖然可以實現(xiàn)結構的可控性，但是還不能完成大尺寸仿生人工木材的合成。所以迫切地需要開發(fā)更加合適的可以與基質聚合物有效結合起來的合成方法，使大尺寸仿生人工木材的制備成為可能，從而可以進行工業(yè)化的生產。

3)現(xiàn)階段仿生人工木材通過目前的技術手段只能模仿制備出天然木材的蜂窩狀細胞結構，而天然木材中更加精細的結構，如木射線、紋孔等。目前還沒有合成技術可以制備模仿出來，所以這也限制了仿生人工木材性能的加強與發(fā)展。這是仿生人工木材進一步發(fā)展的重點與難點。

4)目前仿生人工木材的應用還很有限，所以可以在特異性結構的基礎上進行功能探究和設計，開發(fā)出具有優(yōu)異性能的新型材料，進而推動人工仿生木材領域的發(fā)展。