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圣地亞哥州立楊陽(yáng)／亞利桑那州立李向家 AFM：面向表面/界面應(yīng)用的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)三維打印綜述
2023-12-08  來(lái)源：高分子科技
關(guān)鍵詞：3D打印 生物啟發(fā)表面

  自然生物通過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程發(fā)展出一系列多功能生物材料和結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)生存環(huán)境中的各種生存危機(jī)。這些生物材料表現(xiàn)出超疏水性、各向異性和機(jī)械加固等顯著特性，為設(shè)計(jì)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(jìn)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(wèn)題提供了有效途徑。增材制造不僅提供了高度的設(shè)計(jì)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(xué)家和工程師能夠更好地借鑒自然生物的設(shè)計(jì)原則，推動(dòng)生物啟發(fā)制造在功能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前進(jìn)。



  鑒于此，圣地亞哥州立大學(xué)楊陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)以及亞利桑那州立大學(xué)李向家教授團(tuán)隊(duì)全面回顧當(dāng)前 3D 打印表面/界面結(jié)構(gòu)，涵蓋了應(yīng)用材料、設(shè)計(jì)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(jìn)行了分類(lèi)，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(jì)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(xué)及加州大學(xué)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(xué)博士生Tengteng Tang，南加州大學(xué)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(xué)Nadine Iradukunda和圣地亞哥州立大學(xué)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(jì)原理源于微米級(jí)和納米級(jí)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(jì)的一大特點(diǎn)，微米級(jí)特征提供了穩(wěn)定性，而納米級(jí)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(guò)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(jìn)一步增強(qiáng)表面的憎水性。微米級(jí)和納米級(jí)特征的分層組合是超疏水設(shè)計(jì)的標(biāo)志，其中微米級(jí)元素提供了穩(wěn)定性，而納米級(jí)特征則有助于降低附著力。這種協(xié)同作用使水滴毫不費(fèi)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(diǎn)，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(dú)特特性為人類(lèi)在解決全球工程問(wèn)題方面提供了無(wú)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(jì)和原理，以及傳統(tǒng)制造方法用于降低阻力的方式。同時(shí)，對(duì)制造過(guò)程中的挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，并強(qiáng)調(diào)了三維打印的優(yōu)勢(shì)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(duì)阻力的影響因其具體設(shè)計(jì)和應(yīng)用而異。一些微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靈感源自自然，能夠減小阻力、改善流體力學(xué)性能，進(jìn)而提高運(yùn)輸和運(yùn)動(dòng)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(huì)增加阻力，但卻具備增強(qiáng)附著力、防污性能或微流體精確控制等優(yōu)勢(shì)。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(dòng)或傳輸顆粒。在某些情況下，微結(jié)構(gòu)的增加阻力反而會(huì)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(huì)的日常場(chǎng)景，例如潛艇、輪船、飛機(jī)、水和石油管道運(yùn)輸、泳衣制造、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高速列車(chē)等。然而，這些結(jié)構(gòu)在加工和制造過(guò)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(wèn)題，并在流體還原領(lǐng)域展開(kāi)更多研究工作，以深入探索在面對(duì)全球性難題時(shí)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(jìn)化出了各向異性的微結(jié)構(gòu)表面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)的三維棘輪，使液體在毛細(xì)力的作用下能夠沿著棘輪平面的內(nèi)側(cè)和外側(cè)流動(dòng)。液滴在各向異性結(jié)構(gòu)表面上展現(xiàn)的單向驅(qū)動(dòng)特性是由非均勻表面勢(shì)能所決定。液滴在接觸各向異性表面時(shí)，不同位置的表面曲率引起表面勢(shì)能梯度。對(duì)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恚樵O(shè)計(jì)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(xué)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(duì)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(wèn)題。此外，未來(lái)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(jìn)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(guò)持續(xù)的研究和增材制造能力的提升，微針設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高。更高的復(fù)雜性可增強(qiáng)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(qiáng)度。盡管在微針的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)步，但未來(lái)的研究仍需克服一些挑戰(zhàn)。例如，通過(guò)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(kuò)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(yùn)輸性方面提升通過(guò)添加制造手段生產(chǎn)的微針的能力。仿生微針因其增強(qiáng)的特性而在各個(gè)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(dú)特，因此可以與生物表面如皮膚進(jìn)行良好互動(dòng)。尖銳的針尖和表面涂層對(duì)于減少插入時(shí)的不適感和組織損傷至關(guān)重要。通過(guò)表面工程技術(shù)，包括表面改性和涂層，可以?xún)?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(cè)。

 


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309323


通訊作者簡(jiǎn)介


楊陽(yáng)：博士，助理教授。2009年獲得武漢大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。2015 年在武漢大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校 (UCLA) 獲得聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位。其研究重點(diǎn)是仿生3D打印的機(jī)器、材料和結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)。在加入圣地亞哥州立大學(xué)（SDSU） 之前，楊博士博士后就職于南加州大學(xué) (USC) 工業(yè)與系統(tǒng)工程系先進(jìn)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(xiě)了 50 多篇同行評(píng)審出版物，如“Science Advances”“Advanced Materials”“Energy & Environmental Science”“Research”。也同時(shí)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(xué)物質(zhì)、傳輸與能源工程學(xué)院機(jī)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(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程博士學(xué)位。李博士研究重點(diǎn)是基于光聚合的增材制造、利用生物啟發(fā)設(shè)計(jì)方法以及可編程功能材料的開(kāi)發(fā)。這些研究領(lǐng)域?yàn)榻缑婕夹g(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、軟致動(dòng)器、光學(xué)和柔性電子學(xué)的潛在應(yīng)用帶來(lái)了巨大前景。李博士最近的研究成果獲得了廣泛認(rèn)可，包括在美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì) MSEC2022 和 MSEC2023 會(huì)議上獲得最佳論文獎(jiǎng)。此外，她還榮獲了 2023 年 SME Delcie R. Durham 杰出青年制造工程師獎(jiǎng)。

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