一、研究背景

自然界長(zhǎng)期以來(lái)一直是工程創(chuàng)新的靈感源泉。仿生學(xué)方法已催生出多種變革性技術(shù)，如受荷葉啟發(fā)的自清潔表面、模仿鳥(niǎo)羽的渦流襟翼以及源自牛蒡刺的維可牢搭扣系統(tǒng)。除了模仿自然，人類(lèi)還直接利用天然材料，這些涉及非生命生物材料（生物基材料）的技術(shù)深刻影響了人類(lèi)歷史和技術(shù)發(fā)展。

生物混合工程的最新進(jìn)展進(jìn)一步推動(dòng)了這一范式，將生物基材料無(wú)縫整合到工程系統(tǒng)中。此類(lèi)創(chuàng)新包括能夠自主感知、修復(fù)和適應(yīng)的軟生物混合機(jī)器人系統(tǒng)。然而，盡管現(xiàn)有生物混合系統(tǒng)在機(jī)器人技術(shù)和傳感領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，但將生物基材料應(yīng)用于先進(jìn)制造仍未得到充分探索。

自然界中存在多種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的微型分配尖端，如昆蟲(chóng)口器和植物木質(zhì)部導(dǎo)管。雌性蚊子口器具有堅(jiān)硬、近乎筆直的結(jié)構(gòu)，配備振動(dòng)輔助機(jī)制，能夠以最小的力刺穿表面并精確進(jìn)入血管，其獨(dú)特的機(jī)械、幾何和結(jié)構(gòu)特性使其成為分配應(yīng)用的理想候選材料。

二、研究?jī)?nèi)容

2.1 生物微型分配尖端的篩選

研究人員對(duì)自然界中的生物微型分配尖端進(jìn)行了全面調(diào)查，將其分為流體沉積型和流體抽取型兩大類(lèi)：

• 流體沉積型：包括蜜蜂、黃蜂和蝎子的毒刺，毒蛇的毒牙，蜈蚣的爪以及芋螺的魚(yú)叉狀結(jié)構(gòu)，主要用于向環(huán)境中噴射物質(zhì)；
• 流體抽取型：包括植物木質(zhì)部導(dǎo)管和昆蟲(chóng)口器，用于從環(huán)境中吸收流體并運(yùn)輸?shù)缴矬w內(nèi)。

理想的3D打印分配尖端應(yīng)具備以下特性：最小曲率、較高的剛度和強(qiáng)度、合適的內(nèi)徑和長(zhǎng)度。通過(guò)系統(tǒng)分析，雌性蚊子口器因其以下優(yōu)勢(shì)被選為最佳候選：

• 近乎零曲率的筆直結(jié)構(gòu)；
• 平均內(nèi)徑為20-25μm，小于市售金屬和塑料分配尖端；
• 長(zhǎng)度約2mm，便于操作且可通過(guò)制造調(diào)整背壓；
• 剛度約200MPa，與普通塑料相當(dāng)；
• 全球廣泛分布、易于飼養(yǎng)，可獲得性高。

圖1. 生物DIW噴嘴的篩選過(guò)程。(A) 按類(lèi)別總結(jié)自然界中可用的生物微型分配尖端的選擇圖表；(B) 阿什比圖展示了幾種生物微型分配尖端類(lèi)別的曲率和內(nèi)徑，本研究中使用的埃及伊蚊以紅色突出顯示；(C) 參數(shù)分析輪，突出顯示DIW打印機(jī)噴嘴的相關(guān)參數(shù)，并研究雌性蚊子口器作為打印機(jī)噴嘴的可行性。

2.2 3D死靈打印系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究人員開(kāi)發(fā)了定制化的直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）3D打印機(jī)，該系統(tǒng)包括：

• 高分辨率運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，可安裝生物微型分配尖端；
• 活塞驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)分配分辨率；
• Arduino微控制器和DC信號(hào)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與擠出機(jī)的同步。

蚊子口器與定制打印機(jī)的集成采用魯爾鎖（Luer-Lock）機(jī)制，將生物微型分配尖端直接粘合到工程分配尖端的出口，形成從注射器筒到生物微型分配尖端的連續(xù)流體通道。為驗(yàn)證擠出可行性，研究人員成功使用Cellink Start生物墨水（一種用于細(xì)胞支持結(jié)構(gòu)3D打印的現(xiàn)成生物墨水）進(jìn)行了擠出演示。

圖2. 3D死靈打印的概念和配置。(A) 定制設(shè)計(jì)的DIW 3D打印機(jī)示意圖，配備活塞驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)；(B) 用于高分辨率打印應(yīng)用的工程生物微型分配尖端概念示意圖；(C) 實(shí)驗(yàn)裝置顯示雌性蚊子口器安裝在定制3D DIW打印機(jī)上，通過(guò)樹(shù)脂支撐將口器附著在標(biāo)準(zhǔn)30G分配尖端上（比例尺：50μm）；(D) 展示雌性蚊子口器分配尖端擠出Cellink Start凝膠（一種3D可打印生物墨水）的快照序列（比例尺：50μm）。

2.3 機(jī)械失效特性分析

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，研究了蚊子口器在打印過(guò)程中的機(jī)械失效行為：

2.3.1 失效模式識(shí)別

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種主要失效模式：

1. 1型失效（尖端堵塞誘導(dǎo)的超壓）：當(dāng)剪切變稀墨水從生物微型分配尖端擠出并在出口堆積時(shí)，剪切應(yīng)力消失，墨水呈現(xiàn)固相行為，形成堵塞，導(dǎo)致噴嘴出口內(nèi)部壓力升高，最終在出口處發(fā)生斷裂；
2. 2型失效（高粘度誘導(dǎo)流動(dòng)需求導(dǎo)致的均勻超壓）：當(dāng)剪切變稀墨水的表觀粘度過(guò)高時(shí)，維持特定墨水速度所需的背壓增加，當(dāng)背壓超過(guò)蚊子口器的材料強(qiáng)度時(shí)，斷裂發(fā)生在靠近入口的上部區(qū)域。

2.3.2 爆破壓力測(cè)試

研究人員構(gòu)建了定制化的爆破壓力測(cè)量裝置，通過(guò)緩慢移動(dòng)注射器 plunger 創(chuàng)造準(zhǔn)靜態(tài)壓力，直到蚊子口器失效。多次爆破壓力測(cè)試得出平均爆破壓力為59.7kPa。

2.3.3 薄壁壓力容器模型分析

將蚊子口器理想化為均勻薄壁管，應(yīng)用薄壁壓力容器模型分析，計(jì)算得出失效時(shí)的縱向應(yīng)力（σ_zz）和環(huán)向應(yīng)力（σ_θθ）分別為354kPa和708kPa。由于環(huán)向應(yīng)力占主導(dǎo)地位，且軸向裂紋垂直于環(huán)向應(yīng)力方向，結(jié)果表明蚊子口器的機(jī)械失效可能由周向主應(yīng)力控制。

圖3. 雌性蚊子口器分配尖端的機(jī)械失效。(A) 快照展示在Cellink Start生物墨水?dāng)D出過(guò)程中，由于尖端堵塞誘導(dǎo)的超壓，蚊子口器側(cè)壁的裂紋擴(kuò)展（比例尺：50μm）；(B) 快照展示在Pluronic F-127生物墨水?dāng)D出過(guò)程中，由于高粘度誘導(dǎo)流動(dòng)需求導(dǎo)致的均勻超壓，裂紋擴(kuò)展（比例尺：50μm）；(C) 用于量化口器破裂壓力的爆破壓力測(cè)試示意圖（比例尺：100μm）；(D) 單次測(cè)試中蚊子口器內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化；(E) 導(dǎo)致材料失效的記錄爆破壓力；(F) 用于分析材料強(qiáng)度的薄壁壓力容器模型；(G) 1型失效示意圖，突出顯示在沒(méi)有施加剪切應(yīng)力的情況下墨水凝膠化導(dǎo)致的噴嘴出口壓力累積；(H) 2型失效示意圖，突出顯示口器入口處的過(guò)高壓力；(I) 由失效分析生成的操作指南，突出顯示可實(shí)現(xiàn)的最大墨水?dāng)D出速度與粘度參數(shù)的關(guān)系。

2.3.4 操作參數(shù)指南

采用赫歇爾-巴克利（Herschel-Bulkley）模型將墨水速度（操作條件）與墨水和蚊子口器的固有特性相關(guān)聯(lián)。對(duì)于40%（w/v）Pluronic F-127生物墨水（一致性系數(shù)375 Pa·sⁿ，流動(dòng)行為指數(shù)0.05，屈服應(yīng)力310 Pa），最大允許墨水速度約為0.015 mm/s（即15μm/s）。

2.4 工藝窗口與打印性能

為避免過(guò)度擠出或擠出不足，研究人員通過(guò)參數(shù)研究確定了最佳工藝窗口，定義了墨水?dāng)D出速度（v_ink）和噴嘴移動(dòng)速度（v_nozzle）的最佳組合：

• 過(guò)度擠出：拉伸比（r = v_ink/v_nozzle）>1，表現(xiàn)為不均勻但連續(xù)的打印線條，通常伴隨1型失效；
• 良好擠出：0.25 < r ≤1，表現(xiàn)為連續(xù)均勻的理想打印線條，線寬接近蚊子口器的內(nèi)徑（20-30μm）；
• 擠出不足：r ≤0.25，表現(xiàn)為斷裂/不連續(xù)的細(xì)絲。

3D死靈打印實(shí)現(xiàn)了約20μm的打印分辨率，比標(biāo)準(zhǔn)34G分配尖端（約50μm內(nèi)徑）精細(xì)約250%，甚至優(yōu)于專(zhuān)業(yè)36G分配尖端（約35μm分辨率）。

圖4. 3D死靈打印的工藝窗口和打印微結(jié)構(gòu)。(A) 圖表描述了Pluronic F-127生物墨水在不同墨水?dāng)D出速度和噴嘴移動(dòng)速度組合下的預(yù)期擠出行為，右側(cè)快照光學(xué)圖像直觀展示了三種打印狀態(tài)（良好擠出、擠出不足和過(guò)度擠出）及其對(duì)雌性蚊子口器分配尖端物理狀態(tài)的影響（比例尺：100μm）；(B) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D蜂窩結(jié)構(gòu)；(C) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D楓葉結(jié)構(gòu)；(D) 使用雌性蚊子口器分配尖端和含有B16癌細(xì)胞懸浮液的Pluronic F-127打印的3D網(wǎng)格支架。

2.5 應(yīng)用演示

研究人員展示了3D死靈打印的多種應(yīng)用：

1. 蜂窩結(jié)構(gòu)：總體尺寸約600μm×600μm×310μm，擠出細(xì)絲的打印線寬約22μm，實(shí)現(xiàn)了超越標(biāo)準(zhǔn)金屬和塑料分配尖端分辨率能力的微觀結(jié)構(gòu)；
2. 楓葉結(jié)構(gòu)：尺寸為900μm×870μm×310μm，打印線寬約18μm，展現(xiàn)出更高的層間打印線條保真度；
3. 細(xì)胞負(fù)載支架：600μm×600μm×310μm的網(wǎng)格支架，線寬28μm，使用含有B16癌細(xì)胞和紅細(xì)胞的Pluronic F-127墨水打印，打印后細(xì)胞存活率為86.1%±2.1%（n=3），證實(shí)了該技術(shù)在微觀尺度生物應(yīng)用中的潛力；
4. 高分辨率藥物遞送：以水凝膠為模型藥物載體，豬皮為組織類(lèi)似物，實(shí)現(xiàn)了皮升級(jí)別的材料攝取和再沉積，模擬活體組織中的治療遞送。

三、研究結(jié)論

本研究成功概念化、制造并演示了生物分配尖端在DIW打印過(guò)程中的應(yīng)用，以雌性蚊子口器作為模型沉積噴嘴。主要結(jié)論如下：

1. 通過(guò)對(duì)生物微型分配尖端的系統(tǒng)評(píng)估，確定雌性蚊子口器是生物混合制造的最佳候選材料，其具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和抗斷裂性，可用于擠出常用墨水；
2. 建立了蚊子口器噴嘴的操作工藝窗口，3D死靈打印實(shí)現(xiàn)了18-28μm的分辨率，超越了市售34G分配尖端（約50μm分辨率），甚至優(yōu)于昂貴且不可降解的專(zhuān)業(yè)36G分配尖端（約35μm分辨率）；
3. 成功打印了復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如蜂窩支架、楓葉）和負(fù)載活細(xì)胞的支架，突顯了該生物混合DIW工藝的多功能性；
4. 與玻璃拉制分配尖端相比，蚊子口器分配尖端在耐用性、一致性、生物降解性和成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，每只蚊子飼養(yǎng)成本低于0.02美元，生物微型分配尖端的組裝成本約為0.8美元/個(gè)；
5. 蚊子口器具有明確的爆破壓力，可被動(dòng)限制擠出力，作為生物"保險(xiǎn)絲"保護(hù)敏感的細(xì)胞負(fù)載生物墨水免受剪切誘導(dǎo)損傷，這是合成微噴嘴所不具備的固有保障。

四、論文信息