自然生物通過漫長的進化過程發展出一系列多功能生物材料和結構，以應對生存環境中的各種生存危機。這些生物材料表現出超疏水性、各向異性和機械加固等顯著特性，為設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制造方法的限制，制造復雜多尺度結構的方法受到了制約，從而阻礙了生物啟發制造功能結構的進展。作為一種革命性的新興制造技術，增材制造（即三維打印）為解決這一問題提供了有效途徑。增材制造不僅提供了高度的設計靈活性和制造自由度，還具備制造復雜、多尺度、分層和多材料結構的潛力。這使得科學家和工程師能夠更好地借鑒自然生物的設計原則，推動生物啟發制造在功能結構領域的前進。
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/界面結構，涵蓋了應用材料、設計和功能應用、受生物啟發的表面結構。并根據其具體特性和應用進行了分類，其中一些特性可用于多種應用。這些三維打印生物啟發表面的優化設計為高效率，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合培養博士生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界面結構
超疏水表面的結構設計原理源于微米級和納米級特征的結合，這些特征協同作用，創造出高度憎水的表面。這些原理包括引入微觀粗糙度，通常采用微結構圖案的形式，從而增大水滴的表觀接觸角，最大限度地減小接觸面積。這些微納米結構的分層組合是超疏水設計的一大特點，微米級特征提供了穩定性，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構圖案或紋理的形式出現，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揮著至關重要的作用。在納米尺度上，加入具有低表面能特性的納米結構或納米涂層（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計的標志，其中微米級元素提供了穩定性，而納米級特征則有助于降低附著力。這種協同作用使水滴毫不費力地從表面滾落。了解和優化這些結構特征是創造有效超疏水表面的關鍵，可應用于自清潔、防污和微流體系統等領域。三維打印技術具有效率高、分辨率高以及能夠制造復雜微小結構等優點，在制造各種受自然啟發的超疏水表面方面發揮著關鍵作用。
2.三維打印可降低阻力的生物啟發界面結構
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構設計和原理，以及傳統制造方法用于降低阻力的方式。同時，對制造過程中的挑戰進行了簡要總結，并強調了三維打印的優勢以及在打印阻力結構方面的應用。仿生微結構對阻力的影響因其具體設計和應用而異。一些微結構的設計靈感源自自然，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用的效率和性能。相反，在其他情境下，微結構可能會增加阻力，但卻具備增強附著力、防污性能或微流體精確控制等優勢。在微流體設備中，人工纖毛或受纖毛啟發的微結構可用于操縱流體，產生流體流動或傳輸顆粒。在某些情況下，微結構的增加阻力反而會提高混合和控制效果，影響流體傳輸的效率。減阻結構廣泛應用于現代社會的日常場景，例如潛艇、輪船、飛機、水和石油管道運輸、泳衣制造、風力發電機、高速列車等。然而，這些結構在加工和制造過程中面臨一系列挑戰。三維打印技術的應用有望解決這些問題，并在流體還原領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的生物界面結構
自然界中許多生物進化出了各向異性的微結構表面，以實現對其生存至關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側和外側流動。液滴在各向異性結構表面上展現的單向驅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。對自然結構表面上液滴各向異性傳輸的研究使我們更深刻地理解了其中的原理，并為設計各向異性水傳輸表面提供了靈感。這在微流控設備、生物醫學和液滴操縱等領域中扮演著關鍵角色。
4.用于水收集和清潔的生物啟發界面結構的三維打印技術
本章節總結并展示了三維打印生物啟發材料、工藝和應用。對于三維打印水收集和水油分離結構而言，挑戰在于工藝優化和適應性問題。此外，未來還需要研究水收集結構的潛在應用，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界面結構的三維打印技術
至今，微針在醫療領域，尤其是透皮給藥等應用方面取得了顯著的進展。隨著各種立體光刻技術的不斷發展，生產微針的方法日益多樣化。通過持續的研究和增材制造能力的提升，微針設計方面的進步包括結構復雜性的提高。更高的復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/疫苗應用的一致性、粘附/牽引力和抗壓強度。盡管在微針的設計、制造和應用方面取得了巨大進步，但未來的研究仍需克服一些挑戰。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，需要擴大或大規模生產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的微針的能力。仿生微針因其增強的特性而在各個領域展現出潛力，使其成為比傳統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重要。通過表面工程技術，包括表面改性和涂層，可以優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。一些應用領域包括透皮給藥、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) 獲得聯合培養博士學位。其研究重點是仿生3D打印的機器、材料和結構開發。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) 工業與系統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、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與系統工程博士學位。李博士研究重點是基于光聚合的增材制造、利用生物啟發設計方法以及可編程功能材料的開發。這些研究領域為界面技術、生物醫學工程、軟致動器、光學和柔性電子學的潛在應用帶來了巨大前景。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。
