自然生物通過漫長的進化過程發(fā)展出一系列多功能生物材料和結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對生存環(huán)境中的各種生存危機。這些生物材料表現(xiàn)出超疏水性、各向異性和機械加固等顯著特性，為設(shè)計和制造下一代生物材料提供了豐富的靈感。然而，由于可用材料和傳統(tǒng)制造方法的限制，制造復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)的方法受到了制約，從而阻礙了生物啟發(fā)制造功能結(jié)構(gòu)的進展。作為一種革命性的新興制造技術(shù)，增材制造（即三維打。榻鉀Q這一問題提供了有效途徑。增材制造不僅提供了高度的設(shè)計靈活性和制造自由度，還具備制造復(fù)雜、多尺度、分層和多材料結(jié)構(gòu)的潛力。這使得科學家和工程師能夠更好地借鑒自然生物的設(shè)計原則，推動生物啟發(fā)制造在功能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前進。
鑒于此，圣地亞哥州立大學楊陽教授團隊以及亞利桑那州立大學李向家教授團隊全面回顧當前 3D 打印表面/界面結(jié)構(gòu)，涵蓋了應(yīng)用材料、設(shè)計和功能應(yīng)用、受生物啟發(fā)的表面結(jié)構(gòu)。并根據(jù)其具體特性和應(yīng)用進行了分類，其中一些特性可用于多種應(yīng)用。這些三維打印生物啟發(fā)表面的優(yōu)化設(shè)計為高效率，低成本和高性能提供前景。論文以“Review on 3D Printing of Bioinspired Structures for Surface/Interface Applications”為題， 發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊。圣地亞哥州立大學及加州大學圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，亞利桑那州立大學博士生Tengteng Tang，南加州大學博士生Yushun（Sean） Zeng為論文的共同第一作者。論文參與者還包括亞利桑那州立大學Nadine Iradukunda和圣地亞哥州立大學Brandon Bethers。
1.三維打印具有超疏水性能的生物啟發(fā)界面結(jié)構(gòu)
超疏水表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理源于微米級和納米級特征的結(jié)合，這些特征協(xié)同作用，創(chuàng)造出高度憎水的表面。這些原理包括引入微觀粗糙度，通常采用微結(jié)構(gòu)圖案的形式，從而增大水滴的表觀接觸角，最大限度地減小接觸面積。這些微納米結(jié)構(gòu)的分層組合是超疏水設(shè)計的一大特點，微米級特征提供了穩(wěn)定性，而納米級元素則有助于降低附著力，從而使水滴非常容易地從表面滾落。在微觀尺度上，表面粗糙度通常以結(jié)構(gòu)圖案或紋理的形式出現(xiàn)，通過增大水滴的表觀接觸角、減小接觸面積和提高拒水性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在納米尺度上，加入具有低表面能特性的納米結(jié)構(gòu)或納米涂層（如疏水材料）可進一步增強表面的憎水性。微米級和納米級特征的分層組合是超疏水設(shè)計的標志，其中微米級元素提供了穩(wěn)定性，而納米級特征則有助于降低附著力。這種協(xié)同作用使水滴毫不費力地從表面滾落。了解和優(yōu)化這些結(jié)構(gòu)特征是創(chuàng)造有效超疏水表面的關(guān)鍵，可應(yīng)用于自清潔、防污和微流體系統(tǒng)等領(lǐng)域。三維打印技術(shù)具有效率高、分辨率高以及能夠制造復(fù)雜微小結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在制造各種受自然啟發(fā)的超疏水表面方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
2.三維打印可降低阻力的生物啟發(fā)界面結(jié)構(gòu)
自然界生物的獨特特性為人類在解決全球工程問題方面提供了無盡的啟示。本部分聚焦介紹了減小阻力的自然結(jié)構(gòu)設(shè)計和原理，以及傳統(tǒng)制造方法用于降低阻力的方式。同時，對制造過程中的挑戰(zhàn)進行了簡要總結(jié)，并強調(diào)了三維打印的優(yōu)勢以及在打印阻力結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。仿生微結(jié)構(gòu)對阻力的影響因其具體設(shè)計和應(yīng)用而異。一些微結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感源自自然，能夠減小阻力、改善流體力學性能，進而提高運輸和運動等應(yīng)用的效率和性能。相反，在其他情境下，微結(jié)構(gòu)可能會增加阻力，但卻具備增強附著力、防污性能或微流體精確控制等優(yōu)勢。在微流體設(shè)備中，人工纖毛或受纖毛啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)可用于操縱流體，產(chǎn)生流體流動或傳輸顆粒。在某些情況下，微結(jié)構(gòu)的增加阻力反而會提高混合和控制效果，影響流體傳輸?shù)男。減阻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會的日常場景，例如潛艇、輪船、飛機、水和石油管道運輸、泳衣制造、風力發(fā)電機、高速列車等。然而，這些結(jié)構(gòu)在加工和制造過程中面臨一系列挑戰(zhàn)。三維打印技術(shù)的應(yīng)用有望解決這些問題，并在流體還原領(lǐng)域展開更多研究工作，以深入探索在面對全球性難題時借鑒自然行為的可能性。
3.三維打印各向異性液體傳輸?shù)纳锝缑娼Y(jié)構(gòu)
自然界中許多生物進化出了各向異性的微結(jié)構(gòu)表面，以實現(xiàn)對其生存至關(guān)重要的各向異性水輸送。以Araucaria葉片為例，其表面具有毫米級的三維棘輪，使液體在毛細力的作用下能夠沿著棘輪平面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)流動。液滴在各向異性結(jié)構(gòu)表面上展現(xiàn)的單向驅(qū)動特性是由非均勻表面勢能所決定。液滴在接觸各向異性表面時，不同位置的表面曲率引起表面勢能梯度。對自然結(jié)構(gòu)表面上液滴各向異性傳輸?shù)难芯渴刮覀兏羁痰乩斫饬似渲械脑，并為設(shè)計各向異性水傳輸表面提供了靈感。這在微流控設(shè)備、生物醫(yī)學和液滴操縱等領(lǐng)域中扮演著關(guān)鍵角色。
4.用于水收集和清潔的生物啟發(fā)界面結(jié)構(gòu)的三維打印技術(shù)
本章節(jié)總結(jié)并展示了三維打印生物啟發(fā)材料、工藝和應(yīng)用。對于三維打印水收集和水油分離結(jié)構(gòu)而言，挑戰(zhàn)在于工藝優(yōu)化和適應(yīng)性問題。此外，未來還需要研究水收集結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用，包括高效廢水處理、淡水收集和氣霧收集。
5.用于藥物輸送的生物啟發(fā)界面結(jié)構(gòu)的三維打印技術(shù)
至今，微針在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是透皮給藥等應(yīng)用方面取得了顯著的進展。隨著各種立體光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)微針的方法日益多樣化。通過持續(xù)的研究和增材制造能力的提升，微針設(shè)計方面的進步包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高。更高的復(fù)雜性可增強微針的使用效率和能力，包括提高給藥速度/效率、藥物/疫苗應(yīng)用的一致性、粘附/牽引力和抗壓強度。盡管在微針的設(shè)計、制造和應(yīng)用方面取得了巨大進步，但未來的研究仍需克服一些挑戰(zhàn)。例如，通過不同的添加制造工藝獲取的材料分辨率和耐用性有限，需要擴大或大規(guī)模生產(chǎn)添加制造的微針能力，以及在耐用性和可運輸性方面提升通過添加制造手段生產(chǎn)的微針的能力。仿生微針因其增強的特性而在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力，使其成為比傳統(tǒng)微針更具吸引力的選擇。由于微針體積小、表面特性獨特，因此可以與生物表面如皮膚進行良好互動。尖銳的針尖和表面涂層對于減少插入時的不適感和組織損傷至關(guān)重要。通過表面工程技術(shù)，包括表面改性和涂層，可以優(yōu)化微針與生物界面之間的相互作用，提高微針的性能和病人的舒適度。一些應(yīng)用領(lǐng)域包括透皮給藥、眼部給藥、疫苗給藥、止血和葡萄糖檢測。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309323
通訊作者簡介
楊陽：博士，助理教授。2009年獲得武漢大學物理學學士學位。2015 年在武漢大學和加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 獲得聯(lián)合培養(yǎng)博士學位。其研究重點是仿生3D打印的機器、材料和結(jié)構(gòu)開發(fā)。在加入圣地亞哥州立大學（SDSU） 之前，楊博士博士后就職于南加州大學 (USC) 工業(yè)與系統(tǒng)工程系先進制造中心（Center for Advanced Manufacturing）。他曾獲得“2022年 SME Sandra L. Bouckley Outstanding Young Manufacturing Engineer Award”，并撰寫了 50 多篇同行評審出版物，如“Science Advances”“Advanced Materials”“Energy & Environmental Science”“Research”。也同時是Advanced Materials、Small、Additive Manufacturing等多家期刊審稿人。他的工作得到了 NSF 和 SDSU seed grant的支持。
李向家，博士，亞利桑那州立大學物質(zhì)、傳輸與能源工程學院機械與航空航天工程系助理教授。于 2019 年成功獲得南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程博士學位。李博士研究重點是基于光聚合的增材制造、利用生物啟發(fā)設(shè)計方法以及可編程功能材料的開發(fā)。這些研究領(lǐng)域為界面技術(shù)、生物醫(yī)學工程、軟致動器、光學和柔性電子學的潛在應(yīng)用帶來了巨大前景。李博士最近的研究成果獲得了廣泛認可，包括在美國機械工程師學會 MSEC2022 和 MSEC2023 會議上獲得最佳論文獎。此外，她還榮獲了 2023 年 SME Delcie R. Durham 杰出青年制造工程師獎。
