科研級(jí)超高精度3D打印在仿生材料領(lǐng)域的應(yīng)用

     自然進(jìn)化使得生物材料具有優(yōu)化的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)性、自愈合能力以及優(yōu)異的機(jī)械性能、潤(rùn)濕性、粘附性等多種特點(diǎn)。隨著仿生學(xué)的深入開展，人們不僅從外形、功能去模仿生物，而且還從生物奇特的結(jié)構(gòu)中得到不少啟發(fā)進(jìn)行仿生制造。自然界的動(dòng)植物就給我們提供了很多功能性結(jié)構(gòu)的靈感從而設(shè)計(jì)出不同應(yīng)用領(lǐng)域的仿生材料。

     仿生材料，其研究起源于對(duì)天然材料的詳細(xì)考察，通常是指模仿生物的運(yùn)行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的人工材料。根據(jù)仿生材料所針對(duì)的天然生物材料的不同特性，仿生材料可以包括仿生高強(qiáng)度材料、仿生超親水/超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生智能薄膜材料以及仿生機(jī)器人等。

     仿生材料來源于對(duì)天然材料的模仿，又與實(shí)際應(yīng)用關(guān)系密切，多功能表面的仿生微結(jié)構(gòu)如超疏水表面結(jié)構(gòu)就是受植物葉子啟發(fā)所設(shè)計(jì)，如根據(jù)荷葉不會(huì)粘上水珠這一現(xiàn)象仿生制備了超疏水薄膜，通過仿生牙釉質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)制備堅(jiān)韌仿生材料用于飛行器等。經(jīng)過近些年仿生材料領(lǐng)域科學(xué)家的努力，荷葉表面、豬籠草、蜘蛛絲、水黽腿部等的微觀結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被揭示出來，并成為設(shè)計(jì)制備仿生材料的重要指導(dǎo)依據(jù)，其在自清潔，抗腐蝕，油/水分離，微反應(yīng)器和液滴操作等均具有非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

     盡管仿生材料研究正處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，但目前傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造出自然界中復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，越來越多的研究人員考慮用3D打印的加工方式來彌補(bǔ)傳統(tǒng)加工方式的不足。摩方超高精度3D打印設(shè)備就為這種復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工提供了可能，其分辨率高達(dá)2μm，具有高分辨率、超高精度、跨尺度加工、適用材料廣、加工效率高、加工成本低等諸多特點(diǎn)，非常適用于制作微尺度的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

     下面就列舉了一些摩方超高精度3D打印系統(tǒng)制備的仿生微結(jié)構(gòu)案例，希望能給大家?guī)硪恍﹩l(fā)，為仿生領(lǐng)域提供一種高效的加工手段；

一、仿生麥芒結(jié)構(gòu)：

     麥芒上分布著許多取向性堅(jiān)硬倒刺使其表現(xiàn)出摩擦各向異性特征，通過研究其結(jié)構(gòu)特征能夠揭示出其背后的科學(xué)機(jī)制；

     同天然麥芒相比，3D打印麥芒上面的倒刺尺寸、排布密度和傾斜角度可自由調(diào)控，并能夠很好地與被接觸基底表面進(jìn)行相互作用，實(shí)現(xiàn)摩擦各向異性的最.大化；

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Small（DOI: 10.1002/smll.201802931）

摩方設(shè)備打印樣品：

微結(jié)構(gòu)尖.端最小尺寸：8μm，使用設(shè)備：nanoArch S130，分辨率：2μm

二、仿生仙人掌簇狀的針型微結(jié)構(gòu) :

     仙人掌刺微結(jié)構(gòu)有助于水滴的凝結(jié)和運(yùn)輸,通過3D打印可改變仙人掌刺微結(jié)構(gòu)表面的疏水性能以進(jìn)一步增加水滴凝結(jié)的速率

文章鏈接地址： 
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admi.201901752

     此類簇狀針型微結(jié)構(gòu)同樣可利用摩方超高精度3D打印系統(tǒng)制作，能夠直接快速成型，分辨率2-10μm，最小細(xì)節(jié)可達(dá)5μm；

三、仿生槐葉萍固液氣界面表面結(jié)構(gòu)（氣膜恢復(fù)機(jī)理）：

     水下固液氣界面在大壓強(qiáng)、高流速以及氣體擴(kuò)散等因素的影響下易發(fā)生失穩(wěn)甚至消失，這嚴(yán)重影響了水下生物的生存條件以及固液氣界面的工程應(yīng)用，而槐葉萍卻具有極.強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，這源于其表面特殊微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣膜的作用。通過研究槐葉萍表面的微結(jié)構(gòu)及其水下固液氣界面力學(xué)特性，能夠發(fā)現(xiàn)一種新的水下固液氣界面穩(wěn)定性機(jī)理；

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https://www.pnas。。ｏｒｇ/content/117/5/2282?iss=5

以下為通過摩方3D打印設(shè)備制造的槐葉萍葉片表面，基于實(shí)際槐葉萍葉片尺寸放大10倍打印，以驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)仿生機(jī)制的可行性；

使用設(shè)備：nanoArchS140，分辨率：10μm；圓柱直徑300μm，底部最小縫隙10um左右；

四、仿生葉片的超疏水打蛋器微結(jié)構(gòu)：

     傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造出此類復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，而利用3D打印方式可以靈活實(shí)現(xiàn)出研究者想要的臂數(shù)以調(diào)節(jié)表面結(jié)構(gòu)與水滴的粘附力；此類結(jié)構(gòu)可以作為‘微型機(jī)械手’來操控微液滴，也可用于油污的吸附和高效油水分離

文章鏈接地址： 
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704912/epdf

摩方設(shè)備打印樣品：

最小桿徑：30μm，使用設(shè)備：nanoArch S130，分辨率：2μm

五、仿生微針結(jié)構(gòu)：

     微針（MN）是一種長(zhǎng)度為數(shù)百微米的微型針，由于其微創(chuàng)，無痛且易于使用的特性而受到了廣泛的關(guān)注；

仿生微針在組織中具有持續(xù)的藥物釋放行為，其在軟組織應(yīng)用中具有的強(qiáng)大潛力，在經(jīng)皮下給藥、組織傷口愈合、長(zhǎng)期體內(nèi)藥物傳遞和生物傳感方面具有豐富的應(yīng)用前景；

此案例作者基于PμSL技術(shù)，制備出具有倒刺結(jié)構(gòu)的高粘附性仿生微針；

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909197

摩方3D打印系統(tǒng)打印的其它微針結(jié)構(gòu)： 

最小尖.端直徑：15μm，使用設(shè)備：nanoArch S140，分辨率：10μm，層厚20μm

結(jié)尾：

     以上，是超高精度3D打印在仿生領(lǐng)域的應(yīng)用分享，除了上述介紹的具有代表性的仿生材料以外，還有許多其他仿生材料也在迅速發(fā)展，例如仿鯊魚皮、仿蘑菇頭、仿蜂巢、仿水母等；而摩方的超高精度3D打印技術(shù)，分辨率高達(dá)2μm，并能兼顧大幅面，目前還在進(jìn)一步豐富打印材料庫(kù)，如水凝膠材料，磁性功能材料等，將進(jìn)更好地服務(wù)仿生微結(jié)構(gòu)的加工和驗(yàn)證。