科研級超高精度3D打印在仿生材料領域的應用

     自然進化使得生物材料具有優化的宏觀和微觀結構、自適應性、自愈合能力以及優異的機械性能、潤濕性、粘附性等多種特點。隨著仿生學的深入開展，人們不僅從外形、功能去模仿生物，而且還從生物奇特的結構中得到不少啟發進行仿生制造。自然界的動植物就給我們提供了很多功能性結構的靈感從而設計出不同應用領域的仿生材料。

     仿生材料，其研究起源于對天然材料的詳細考察，通常是指模仿生物的運行模式和生物材料的結構規律而設計制造的人工材料。根據仿生材料所針對的天然生物材料的不同特性，仿生材料可以包括仿生高強度材料、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器人等。

     仿生材料來源于對天然材料的模仿，又與實際應用關系密切，多功能表面的仿生微結構如超疏水表面結構就是受植物葉子啟發所設計，如根據荷葉不會粘上水珠這一現象仿生制備了超疏水薄膜，通過仿生牙釉質微觀結構制備堅韌仿生材料用于飛行器等。經過近些年仿生材料領域科學家的努力，荷葉表面、豬籠草、蜘蛛絲、水黽腿部等的微觀結構都已經被揭示出來，并成為設計制備仿生材料的重要指導依據，其在自清潔，抗腐蝕，油/水分離，微反應器和液滴操作等均具有非常廣泛的實際應用。

     盡管仿生材料研究正處于一個蓬勃發展的階段，但目前傳統制造技術很難仿造出自然界中復雜的微結構，越來越多的研究人員考慮用3D打印的加工方式來彌補傳統加工方式的不足。摩方超高精度3D打印設備就為這種復雜的微結構加工提供了可能，其分辨率高達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，非常適用于制作微尺度的復雜三維結構。

     下面就列舉了一些摩方超高精度3D打印系統制備的仿生微結構案例，希望能給大家帶來一些啟發，為仿生領域提供一種高效的加工手段；

一、仿生麥芒結構：

     麥芒上分布著許多取向性堅硬倒刺使其表現出摩擦各向異性特征，通過研究其結構特征能夠揭示出其背后的科學機制；

     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控，并能夠很好地與被接觸基底表面進行相互作用，實現摩擦各向異性的最.大化；

文章鏈接地址：  
Small（DOI: 10.1002/smll.201802931）

摩方設備打印樣品：

微結構尖.端最小尺寸：8μm，使用設備：nanoArch S130，分辨率：2μm

二、仿生仙人掌簇狀的針型微結構 :

     仙人掌刺微結構有助于水滴的凝結和運輸,通過3D打印可改變仙人掌刺微結構表面的疏水性能以進一步增加水滴凝結的速率

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

     此類簇狀針型微結構同樣可利用摩方超高精度3D打印系統制作，能夠直接快速成型，分辨率2-10μm，最小細節可達5μm；

三、仿生槐葉萍固液氣界面表面結構（氣膜恢復機理）：

     水下固液氣界面在大壓強、高流速以及氣體擴散等因素的影響下易發生失穩甚至消失，這嚴重影響了水下生物的生存條件以及固液氣界面的工程應用，而槐葉萍卻具有極.強的環境適應能力，這源于其表面特殊微結構產生氣膜的作用。通過研究槐葉萍表面的微結構及其水下固液氣界面力學特性，能夠發現一種新的水下固液氣界面穩定性機理；

文章鏈接地址： 
https://www.pnas。。ｏｒｇ/content/117/5/2282?iss=5

以下為通過摩方3D打印設備制造的槐葉萍葉片表面，基于實際槐葉萍葉片尺寸放大10倍打印，以驗證這種結構仿生機制的可行性；

使用設備：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構：

     傳統制造技術很難仿造出此類復雜的微結構，而利用3D打印方式可以靈活實現出研究者想要的臂數以調節表面結構與水滴的粘附力；此類結構可以作為‘微型機械手’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

摩方設備打印樣品：

最小桿徑：30μm，使用設備：nanoArch S130，分辨率：2μm

五、仿生微針結構：

     微針（MN）是一種長度為數百微米的微型針，由于其微創，無痛且易于使用的特性而受到了廣泛的關注；

仿生微針在組織中具有持續的藥物釋放行為，其在軟組織應用中具有的強大潛力，在經皮下給藥、組織傷口愈合、長期體內藥物傳遞和生物傳感方面具有豐富的應用前景；

此案例作者基于PμSL技術，制備出具有倒刺結構的高粘附性仿生微針；

文章鏈接地址：

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

摩方3D打印系統打印的其它微針結構： 

最小尖.端直徑：15μm，使用設備：nanoArch S140，分辨率：10μm，層厚20μm

結尾：

     以上，是超高精度3D打印在仿生領域的應用分享，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，分辨率高達2μm，并能兼顧大幅面，目前還在進一步豐富打印材料庫，如水凝膠材料，磁性功能材料等，將進更好地服務仿生微結構的加工和驗證。