科(ke)研級超(chao)高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)在(zai)仿生(sheng)材料(liao)領(ling)域的(de)應(ying)用——摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)

  自(zi)然(ran)進(jin)化(hua)使(shi)得(de)生(sheng)物材(cai)料(liao)具(ju)有最(zui)。優(you)化的(de)宏(hong)觀(guan)和微觀(guan)結構、自(zi)適(shi)應(ying)性(xing)、自(zi)愈(yu)合(he)能(neng)力以(yi)及優(you)異的(de)機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)、潤(run)濕(shi)性(xing)、粘(zhan)附性(xing)等(deng)多(duo)種(zhong)特(te)點。隨著(zhe)仿生(sheng)學的(de)深(shen)入(ru)開展(zhan)，人(ren)們不僅從外形(xing)、功能去(qu)模(mo)仿生(sheng)物，而且(qie)還(hai)從生(sheng)物奇特的(de)結(jie)構中得(de)到不少(shao)啟發(fa)進(jin)行仿生(sheng)制造(zao)。自(zi)然(ran)界(jie)的(de)動(dong)植物就(jiu)給(gei)我(wo)們提供(gong)了很(hen)多(duo)功能性(xing)結(jie)構(gou)的(de)靈(ling)感(gan)從而設計(ji)出(chu)不同應(ying)用(yong)領(ling)域的(de)仿生(sheng)材料(liao)。

     仿生(sheng)材料(liao)，其研(yan)究(jiu)起(qi)源(yuan)於對天然材(cai)料(liao)的(de)詳(xiang)細(xi)考察(cha)，通(tong)常是指模仿生(sheng)物的(de)運(yun)行模式(shi)和生(sheng)物材(cai)料(liao)的(de)結(jie)構規(gui)律而設計(ji)制造(zao)的(de)人(ren)工(gong)材(cai)料(liao)。根(gen)據仿生(sheng)材料(liao)所(suo)針對的(de)天然生(sheng)物材(cai)料(liao)的(de)不同特(te)性(xing)，仿生(sheng)材料(liao)可以(yi)包(bao)括(kuo)仿生(sheng)高(gao)強(qiang)度(du)材(cai)料(liao)、仿生(sheng)超親(qin)水/超疏水材料(liao)、仿生(sheng)高(gao)黏(nian)附材料(liao)、仿生(sheng)智能(neng)薄(bo)膜(mo)材(cai)料(liao)以(yi)及仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)等。

     仿生(sheng)材料(liao)來源(yuan)於對天然材(cai)料(liao)的(de)模(mo)仿，又(you)與實際(ji)應(ying)用關(guan)系密(mi)切(qie)，多功能表(biao)面(mian)的(de)仿生(sheng)微結(jie)構(gou)如(ru)超(chao)疏(shu)水表(biao)面(mian)結(jie)構(gou)就(jiu)是受植物葉(ye)子啟發(fa)所(suo)設計(ji)，如根(gen)據荷(he)葉(ye)不會(hui)粘上水珠這(zhe)壹(yi)現象(xiang)仿生(sheng)制備(bei)了超(chao)疏水薄(bo)膜(mo)，通(tong)過仿生(sheng)牙(ya)釉質微觀(guan)結構制(zhi)備(bei)堅(jian)韌仿生(sheng)材料(liao)用於飛(fei)行(xing)器(qi)等(deng)。經(jing)過近(jin)些(xie)年仿生(sheng)材料(liao)領(ling)域科學(xue)家的(de)努(nu)力，荷(he)葉(ye)表(biao)面(mian)、豬(zhu)籠(long)草(cao)、蜘蛛絲(si)、水黽腿部等的(de)微(wei)觀(guan)結構都(dou)已經被揭(jie)示(shi)出(chu)來，並(bing)成(cheng)為(wei)設計(ji)制備(bei)仿生(sheng)材料(liao)的(de)重(zhong)要指(zhi)導依(yi)據，其(qi)在(zai)自(zi)清(qing)潔(jie)，抗腐(fu)蝕，油(you)/水分離，微(wei)反應器(qi)和(he)液(ye)滴(di)操(cao)作(zuo)等均具(ju)有非(fei)常(chang)廣泛的(de)實際(ji)應(ying)用。

     盡(jin)管(guan)仿生(sheng)材料(liao)研究(jiu)正(zheng)處於壹(yi)個蓬(peng)勃發(fa)展(zhan)的(de)階(jie)段(duan)，但(dan)目前傳統制(zhi)造(zao)技術很(hen)難(nan)仿造(zao)出(chu)自(zi)然(ran)界(jie)中復(fu)雜的(de)微(wei)結構(gou)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)研(yan)究(jiu)人(ren)員考(kao)慮(lv)用(yong)3D打(da)印(yin)的(de)加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)來彌(mi)補(bu)傳統加(jia)工(gong)方(fang)式(shi)的(de)不足。摩(mo)方(fang)超(chao)高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)設備(bei)就(jiu)為(wei)這(zhe)種復(fu)雜的(de)微(wei)結構(gou)加(jia)工(gong)提(ti)供(gong)了可(ke)能，其分(fen)辨(bian)率高(gao)達(da)2μm，具(ju)有高(gao)分(fen)辨(bian)率、超高(gao)精(jing)度(du)、跨尺(chi)度加(jia)工(gong)、適(shi)用(yong)材(cai)料(liao)廣、加(jia)工(gong)效(xiao)率高(gao)、加(jia)工(gong)成(cheng)本(ben)低(di)等(deng)諸多特點，非(fei)常(chang)適用於制(zhi)作(zuo)微尺(chi)度的(de)復(fu)雜三維結構。

     下(xia)面(mian)就(jiu)列舉(ju)了壹(yi)些摩(mo)方(fang)超高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)系統制(zhi)備(bei)的(de)仿生(sheng)微結(jie)構(gou)案(an)例(li)，希(xi)望(wang)能(neng)給(gei)大家帶(dai)來壹(yi)些啟發(fa)，為(wei)仿生(sheng)領(ling)域提供(gong)壹(yi)種高(gao)效(xiao)的(de)加(jia)工(gong)手(shou)段(duan)；

壹(yi)、仿生(sheng)麥芒結構：

     麥(mai)芒上分(fen)布著許(xu)多(duo)取向(xiang)性(xing)堅(jian)硬倒(dao)刺使(shi)其表(biao)現出(chu)摩擦(ca)各(ge)向(xiang)異性(xing)特(te)征(zheng)，通(tong)過研(yan)究(jiu)其(qi)結(jie)構特(te)征(zheng)能(neng)夠(gou)揭(jie)示(shi)出(chu)其背後的(de)科(ke)學機(ji)制；

     同(tong)天然麥(mai)芒相比，3D打(da)印(yin)麥芒上面(mian)的(de)倒(dao)刺尺(chi)寸(cun)、排(pai)布密(mi)度(du)和傾斜角度可(ke)自(zi)由(you)調(tiao)控(kong)，並能(neng)夠很(hen)好地與被(bei)接觸(chu)基(ji)底表(biao)面(mian)進(jin)行(xing)相(xiang)互作(zuo)用，實現(xian)摩(mo)擦各(ge)向(xiang)異性(xing)的(de)最(zui)。大。化(hua)；

摩(mo)方(fang)設(she)備打(da)印(yin)樣品：

微(wei)結(jie)構(gou)尖。端最小尺(chi)寸(cun)：8μm，使(shi)用(yong)設(she)備：nanoArch S130，分(fen)辨(bian)率：2μm

二(er)、仿生(sheng)仙人(ren)掌(zhang)簇(cu)狀(zhuang)的(de)針(zhen)型微(wei)結(jie)構(gou) :

     仙人(ren)掌(zhang)刺(ci)微(wei)結構有助(zhu)於水滴(di)的(de)凝(ning)結和(he)運(yun)輸,通過3D打(da)印(yin)可改(gai)變(bian)仙人(ren)掌(zhang)刺(ci)微(wei)結構表(biao)面(mian)的(de)疏(shu)水性(xing)能(neng)以(yi)進壹(yi)步增(zeng)加(jia)水滴(di)凝(ning)結(jie)的(de)速(su)率

     此(ci)類(lei)簇狀針型(xing)微結(jie)構同(tong)樣可利(li)用(yong)摩(mo)方超高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)系統制(zhi)作(zuo)，能夠(gou)直接快(kuai)速(su)成(cheng)型，分(fen)辨(bian)率2-10μm，最小細(xi)節可(ke)達(da)5μm；

三、仿生(sheng)槐葉(ye)萍固(gu)液氣(qi)界面(mian)表(biao)面(mian)結(jie)構(gou)（氣(qi)膜恢(hui)復(fu)機(ji)理）：

     水下固(gu)液氣(qi)界面(mian)在(zai)大壓強(qiang)、高(gao)流(liu)速(su)以(yi)及氣(qi)體(ti)擴散(san)等(deng)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響下(xia)易(yi)發(fa)生(sheng)失穩甚(shen)至消失，這(zhe)嚴重(zhong)影響了水下生(sheng)物的(de)生(sheng)存條件(jian)以(yi)及固(gu)液氣(qi)界面(mian)的(de)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)，而槐葉(ye)萍卻具(ju)有極。強(qiang)的(de)環境適(shi)應能力，這(zhe)源於其(qi)表(biao)面(mian)特(te)殊(shu)微(wei)結(jie)構產生(sheng)氣(qi)膜的(de)作(zuo)用。通(tong)過研(yan)究(jiu)槐(huai)葉(ye)萍表(biao)面(mian)的(de)微(wei)結構(gou)及(ji)其(qi)水下固(gu)液氣(qi)界面(mian)力學(xue)特性(xing)，能(neng)夠(gou)發(fa)現(xian)壹(yi)種新的(de)水下固(gu)液氣(qi)界面(mian)穩(wen)定(ding)性(xing)機(ji)理；

以(yi)下為(wei)通過摩(mo)方(fang)3D打(da)印(yin)設備(bei)制(zhi)造(zao)的(de)槐(huai)葉(ye)萍葉(ye)片(pian)表(biao)面(mian)，基(ji)於實際(ji)槐(huai)葉(ye)萍葉(ye)片(pian)尺(chi)寸(cun)放(fang)大10倍打(da)印(yin)，以(yi)驗(yan)證(zheng)這(zhe)種結構仿生(sheng)機(ji)制的(de)可(ke)行性(xing)；

使(shi)用(yong)設(she)備：nanoArchS140，分(fen)辨(bian)率：10μm；圓(yuan)柱直徑300μm，底(di)部最小(xiao)縫隙(xi)10um左(zuo)右(you)；

四(si)、仿生(sheng)葉(ye)片(pian)的(de)超(chao)疏水打(da)蛋(dan)器(qi)微(wei)結(jie)構(gou)：

     傳(chuan)統制(zhi)造(zao)技術很(hen)難(nan)仿造(zao)出(chu)此(ci)類(lei)復(fu)雜的(de)微(wei)結構(gou)，而利(li)用(yong)3D打(da)印(yin)方式(shi)可以(yi)靈活實現(xian)出(chu)研究(jiu)者(zhe)想(xiang)要的(de)臂(bi)數(shu)以(yi)調(tiao)節表(biao)面(mian)結(jie)構(gou)與水滴(di)的(de)粘(zhan)附力；此(ci)類(lei)結構可以(yi)作(zuo)為‘微(wei)型機(ji)械(xie)手(shou)’來操(cao)控微液滴(di)，也(ye)可(ke)用(yong)於油(you)汙(wu)的(de)吸(xi)附和高(gao)效(xiao)油(you)水分離

摩(mo)方(fang)設(she)備打(da)印(yin)樣品：

最(zui)小(xiao)桿(gan)徑(jing)：30μm，使用(yong)設備(bei)：nanoArch S130，分(fen)辨(bian)率：2μm

五(wu)、仿生(sheng)微針(zhen)結(jie)構(gou)：

     微(wei)針(zhen)（MN）是壹(yi)種長(chang)度(du)為數(shu)百(bai)微(wei)米(mi)的(de)微(wei)型針(zhen)，由(you)於其(qi)微(wei)創(chuang)，無痛且(qie)易於使(shi)用(yong)的(de)特(te)性(xing)而受到了廣(guang)泛的(de)關(guan)註；

仿生(sheng)微針(zhen)在(zai)組(zu)織中具(ju)有持(chi)續(xu)的(de)藥(yao)物釋(shi)放(fang)行為，其(qi)在(zai)軟組(zu)織應用中具(ju)有的(de)強(qiang)大潛力，在(zai)經皮下(xia)給(gei)藥、組(zu)織傷口(kou)愈(yu)合(he)、長(chang)期(qi)體(ti)內(nei)藥物傳遞和生(sheng)物傳(chuan)感(gan)方(fang)面(mian)具(ju)有豐(feng)富(fu)的(de)應(ying)用前(qian)景；

此(ci)案(an)例(li)作(zuo)者基(ji)於PμSL技術，制備出(chu)具(ju)有倒(dao)刺結(jie)構的(de)高(gao)粘(zhan)附性(xing)仿生(sheng)微針(zhen)；

摩(mo)方(fang)3D打(da)印(yin)系統打(da)印(yin)的(de)其(qi)它微(wei)針(zhen)結(jie)構(gou)： 

最(zui)小(xiao)尖(jian)。端直徑：15μm，使用(yong)設(she)備：nanoArch S140，分辨率：10μm，層厚20μm

結(jie)尾(wei)：

     以(yi)上，是超高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)在(zai)仿生(sheng)領(ling)域的(de)應(ying)用分(fen)享(xiang)，除(chu)了上述介(jie)紹(shao)的(de)具(ju)有代(dai)表(biao)性(xing)的(de)仿生(sheng)材料(liao)以(yi)外，還(hai)有(you)許(xu)多(duo)其(qi)他(ta)仿生(sheng)材料(liao)也在(zai)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，例(li)如(ru)仿鯊(sha)魚(yu)皮、仿蘑(mo)菇頭(tou)、仿蜂巢、仿水母等；而摩方的(de)超(chao)高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)技術，分辨率高(gao)達(da)2μm，並(bing)能(neng)兼顧大幅(fu)面(mian)，目前還(hai)在(zai)進壹(yi)步豐(feng)富(fu)打(da)印(yin)材料(liao)庫(ku)，如(ru)水凝膠(jiao)材(cai)料(liao)，磁(ci)性(xing)功能材(cai)料(liao)等，將進(jin)更好地服務仿生(sheng)微結(jie)構(gou)的(de)加(jia)工(gong)和(he)驗(yan)證(zheng)。