为了克服生物组织和可打印聚合物之间固有的力学性能差异,超材料被引入到生物医学应用中模拟生物组织的应变硬化特性。使用多种材料进行正弦机械结构设计,可以产生不同于单一原材料的类似于生物软组织的应变硬化行为。然而,现有的寻找超材料几何参数的试验和误差分析方法导致试验耗时,不能满足医疗应用的迫切需要。另一方面,目前成熟的商用多材料打印技术可用材料种类少,受限于设备供应商,价格昂贵且难以获得理想的性能,不利于进行超材料结构的定制。为此,论文研究一种可模拟生物软组织应变硬化特性的超材料结构设计及3D打印方法。建立了双材料正弦结构的设计参数-应力变化计算模型,为该结构设计的参数寻优提供理论基础。搭建双材料3D打印平台,实现了基于熔融沉积成型和挤出成型两种方式的实时混合打印。研究打印工艺,获得了优化工艺参数,为超材料结构制备提供技术支撑。开展超材料结构3D打印实验研究,验证了论文研究工作的有效性。论文首先设计了正弦超材料骨架结构,以软性材料作为基体,硬材料以正弦波形态嵌入其中作为增强骨架。选择可调节的正弦结构几何参数,构建模拟生物软组织应变硬化特性的超材料结构。采用抽样方法、主成分分析法和克里金算法建立计算模型,并采用序列二次规划寻找目标响应的最佳设计参数。其次,搭建了用于超材料结构打印的双材料打印平台。提出了打印平台的整体结构方案,对3D打印机的结构、电路、固件以及切片设置进行优化修改,根据打印需求,使用Simplify3D进行切片控制的基础设定。实现了基于熔融沉积成型和挤出成型两种方式的双材料实时混合打印。其三,开展了挤出式硅胶材料可打印性和成型性实验。对硅胶线结构成型、三维结构成型等进行了研究,测试分析了打印参数、切片控制对硅胶打印质量的影响。研究了双材料打印成型工艺,进行了切片参数优化试验,确定了适合的工艺参数。最后,打印了硅胶-TPU双材料正弦结构,综合切片参数的实验优化,测试了打印设备和打印工艺的稳定性和精确性。通过打印试样的单轴拉伸试验,验证了有限元分析结果,对建立的计算模型进行实验验证,测试计算结果的准确性。