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科研級超高精度3D打印在仿生材料領(lǐng)域的應(yīng)用

更新時間:2022-06-21點擊次數(shù):775

     自然進化使得生物材料具有優(yōu)化的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)性、自愈合能力以及優(yōu)異的機械性能、潤濕性、粘附性等多種特點。隨著仿生學(xué)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(jié)構(gòu)中得到不少啟發(fā)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(jié)構(gòu)的靈感從而設(shè)計出不同應(yīng)用領(lǐng)域的仿生材料。

 

     仿生材料,其研究起源于對天然材料的詳細(xì)考察,通常是指模仿生物的運行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計制造的人工材料。根據(jù)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(yīng)用關(guān)系密切,多功能表面的仿生微結(jié)構(gòu)如超疏水表面結(jié)構(gòu)就是受植物葉子啟發(fā)所設(shè)計,如根據(jù)荷葉不會粘上水珠這一現(xiàn)象仿生制備了超疏水薄膜,通過仿生牙釉質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)制備堅韌仿生材料用于飛行器等。經(jīng)過近些年仿生材料領(lǐng)域科學(xué)家的努力,荷葉表面、豬籠草、蜘蛛絲、水黽腿部等的微觀結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被揭示出來,并成為設(shè)計制備仿生材料的重要指導(dǎo)依據(jù),其在自清潔,抗腐蝕,油/水分離,微反應(yīng)器和液滴操作等均具有非常廣泛的實際應(yīng)用。

 

     盡管仿生材料研究正處于一個蓬勃發(fā)展的階段,但目前傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造出自然界中復(fù)雜的微結(jié)構(gòu),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(tǒng)加工方式的不足。摩方超高精度3D打印設(shè)備就為這種復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)加工提供了可能,其分辨率高達(dá)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(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

 

     下面就列舉了一些摩方超高精度3D打印系統(tǒng)制備的仿生微結(jié)構(gòu)案例,希望能給大家?guī)硪恍﹩l(fā),為仿生領(lǐng)域提供一種高效的加工手段;


 

一、仿生麥芒結(jié)構(gòu):


 

 

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     麥芒上分布著許多取向性堅硬倒刺使其表現(xiàn)出摩擦各向異性特征,通過研究其結(jié)構(gòu)特征能夠揭示出其背后的科學(xué)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(diào)控,并能夠很好地與被接觸基底表面進行相互作用,實現(xiàn)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(shè)備打印樣品

微結(jié)構(gòu)尖.端最小尺寸:8μm,使用設(shè)備:nanoArch S130,分辨率:2μm


 

 

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二、仿生仙人掌簇狀的針型微結(jié)構(gòu) :

 

 

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     仙人掌刺微結(jié)構(gòu)有助于水滴的凝結(jié)和運輸,通過3D打印可改變仙人掌刺微結(jié)構(gòu)表面的疏水性能以進一步增加水滴凝結(jié)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(jié)構(gòu)同樣可利用摩方超高精度3D打印系統(tǒng)制作,能夠直接快速成型,分辨率2-10μm,最小細(xì)節(jié)可達(dá)5μm;


 

三、仿生槐葉萍固液氣界面表面結(jié)構(gòu)(氣膜恢復(fù)機理):

 

 

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     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(fā)生失穩(wěn)甚至消失,這嚴(yán)重影響了水下生物的生存條件以及固液氣界面的工程應(yīng)用,而槐葉萍卻具有極.強的環(huán)境適應(yīng)能力,這源于其表面特殊微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣膜的作用。通過研究槐葉萍表面的微結(jié)構(gòu)及其水下固液氣界面力學(xué)特性,能夠發(fā)現(xiàn)一種新的水下固液氣界面穩(wěn)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(shè)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(jié)構(gòu)仿生機制的可行性;


 

使用設(shè)備:nanoArchS140,分辨率:10μm;圓柱直徑300μm,底部最小縫隙10um左右;

 

 

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四、仿生葉片的超疏水打蛋器微結(jié)構(gòu):

 

 

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     傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造出此類復(fù)雜的微結(jié)構(gòu),而利用3D打印方式可以靈活實現(xiàn)出研究者想要的臂數(shù)以調(diào)節(jié)表面結(jié)構(gòu)與水滴的粘附力;此類結(jié)構(gòu)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(shè)備打印樣品:

最小桿徑:30μm,使用設(shè)備:nanoArch S130,分辨率:2μm

 

 

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五、仿生微針結(jié)構(gòu):

 

 

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

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

 

此案例作者基于PμSL技術(shù),制備出具有倒刺結(jié)構(gòu)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(tǒng)打印的其它微針結(jié)構(gòu): 

最小尖.端直徑:15μm,使用設(shè)備:nanoArch S140,分辨率:10μm,層厚20μm


 

 

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結(jié)尾

     以上,是超高精度3D打印在仿生領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)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(shù),分辨率高達(dá)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(wù)仿生微結(jié)構(gòu)的加工和驗證。