一、研究背景

自然界長期以來一直是工程創(chuàng)新的靈感源泉。仿生學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)深刻影響了人類歷史和技術(shù)發(fā)展。

生物混合工程的最新進展進一步推動了這一范式，將生物基材料無縫整合到工程系統(tǒng)中。此類創(chuàng)新包括能夠自主感知、修復和適應的軟生物混合機器人系統(tǒng)。然而，盡管現(xiàn)有生物混合系統(tǒng)在機器人技術(shù)和傳感領(lǐng)域取得了一定進展，但將生物基材料應用于先進制造仍未得到充分探索。

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

二、研究內(nèi)容

2.1 生物微型分配尖端的篩選

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

• 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)部導管和昆蟲口器，用于從環(huán)境中吸收流體并運輸?shù)缴矬w內(nèi)。

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

• 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；
• 長度約2mm，便于操作且可通過制造調(diào)整背壓；
• 剛度約200MPa，與普通塑料相當；
• 全球廣泛分布、易于飼養(yǎng)，可獲得性高。

圖1. 生物DIW噴嘴的篩選過程。(A) 按類別總結(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打印機噴嘴的相關(guān)參數(shù)，并研究雌性蚊子口器作為打印機噴嘴的可行性。

2.2 3D死靈打印系統(tǒng)設(shè)計

研究人員開發(fā)了定制化的直接墨水書寫（DIW）3D打印機，該系統(tǒng)包括：

• 高分辨率運動平臺，可安裝生物微型分配尖端；
• 活塞驅(qū)動擠出機，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級分配分辨率；
• Arduino微控制器和DC信號開關(guān)，實現(xiàn)運動平臺與擠出機的同步。

蚊子口器與定制打印機的集成采用魯爾鎖（Luer-Lock）機制，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（一種用于細胞支持結(jié)構(gòu)3D打印的現(xiàn)成生物墨水）進行了擠出演示。

圖2. 3D死靈打印的概念和配置。(A) 定制設(shè)計的DIW 3D打印機示意圖，配備活塞驅(qū)動擠出機；(B) 用于高分辨率打印應用的工程生物微型分配尖端概念示意圖；(C) 實驗裝置顯示雌性蚊子口器安裝在定制3D DIW打印機上，通過樹脂支撐將口器附著在標準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 機械失效特性分析

研究人員通過實驗和理論分析，研究了蚊子口器在打印過程中的機械失效行為：

2.3.1 失效模式識別

實驗發(fā)現(xiàn)兩種主要失效模式：

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

2.3.2 爆破壓力測試

研究人員構(gòu)建了定制化的爆破壓力測量裝置，通過緩慢移動注射器 plunger 創(chuàng)造準靜態(tài)壓力，直到蚊子口器失效。多次爆破壓力測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，應用薄壁壓力容器模型分析，計算得出失效時的縱向應力（σ_zz）和環(huán)向應力（σ_θθ）分別為354kPa和708kPa。由于環(huán)向應力占主導地位，且軸向裂紋垂直于環(huán)向應力方向，結(jié)果表明蚊子口器的機械失效可能由周向主應力控制。

圖3. 雌性蚊子口器分配尖端的機械失效。(A) 快照展示在Cellink Start生物墨水擠出過程中，由于尖端堵塞誘導的超壓，蚊子口器側(cè)壁的裂紋擴展（比例尺：50μm）；(B) 快照展示在Pluronic F-127生物墨水擠出過程中，由于高粘度誘導流動需求導致的均勻超壓，裂紋擴展（比例尺：50μm）；(C) 用于量化口器破裂壓力的爆破壓力測試示意圖（比例尺：100μm）；(D) 單次測試中蚊子口器內(nèi)部壓力隨時間變化；(E) 導致材料失效的記錄爆破壓力；(F) 用于分析材料強度的薄壁壓力容器模型；(G) 1型失效示意圖，突出顯示在沒有施加剪切應力的情況下墨水凝膠化導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高壓力；(I) 由失效分析生成的操作指南，突出顯示可實現(xiàn)的最大墨水擠出速度與粘度參數(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)。對于40%（w/v）Pluronic F-127生物墨水（一致性系數(shù)375 Pa·sⁿ，流動行為指數(shù)0.05，屈服應力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

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

• 過度擠出：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)的細絲。

3D死靈打印實現(xiàn)了約20μm的打印分辨率，比標準34G分配尖端（約50μm內(nèi)徑）精細約250%，甚至優(yōu)于專業(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擠出速度和噴嘴移動速度組合下的預期擠出行為，右側(cè)快照光學圖像直觀展示了三種打印狀態(tài)（良好擠出、擠出不足和過度擠出）及其對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癌細胞懸浮液的Pluronic F-127打印的3D網(wǎng)格支架。

2.5 應用演示

研究人員展示了3D死靈打印的多種應用：

1. 蜂窩結(jié)構(gòu)：總體尺寸約600μm×600μm×310μm，擠出細絲的打印線寬約22μm，實現(xiàn)了超越標準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. 細胞負載支架：600μm×600μm×310μm的網(wǎng)格支架，線寬28μm，使用含有B16癌細胞和紅細胞的Pluronic F-127墨水打印，打印后細胞存活率為86.1%±2.1%（n=3），證實了該技術(shù)在微觀尺度生物應用中的潛力；
4. 高分辨率藥物遞送：以水凝膠為模型藥物載體，豬皮為組織類似物，實現(xiàn)了皮升級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打印過程中的應用，以雌性蚊子口器作為模型沉積噴嘴。主要結(jié)論如下：

1. 通過對生物微型分配尖端的系統(tǒng)評估，確定雌性蚊子口器是生物混合制造的最佳候選材料，其具備足夠的機械強度和抗斷裂性，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業(yè)36G分配尖端（約35μm分辨率）；
3. 成功打印了復雜結(jié)構(gòu)（如蜂窩支架、楓葉）和負載活細胞的支架，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，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；
5. 蚊子口器具有明確的爆破壓力，可被動限制擠出力，作為生物"保險絲"保護敏感的細胞負載生物墨水免受剪切誘導損傷，這是合成微噴嘴所不具備的固有保障。

四、論文信息