自然生物通过漫长的进化过程发展出一系列多功能生物材料和结构，以应对生存环境中的各种生存危机。这些生物材料表现出超疏水性、各向异性和机械加固等显著特性，为设计和制造下一代生物材料提供了丰富的灵感。然而，由于可用材料和传统制造方法的限制，制造复杂多尺度结构的方法受到了制约，从而阻碍了生物启发制造功能结构的进展。作为一种革命性的新兴制造技术，增材制造（即三维打印）为解决这一问题提供了有效途径。增材制造不仅提供了高度的设计灵活性和制造自由度，还具备制造复杂、多尺度、分层和多材料结构的潜力。这使得科学家和工程师能够更好地借鉴自然生物的设计原则，推动生物启发制造在功能结构领域的前进。
鉴于此，圣地亚哥州立大学杨阳教授团队以及亚利桑那州立大学李向家教授团队全面回顾当前 3D 打印表面/界面结构，涵盖了应用材料、设计和功能应用、受生物启发的表面结构。并根据其具体特性和应用进行了分类，其中一些特性可用于多种应用。这些三维打印生物启发表面的优化设计为高效率，低成本和高性能提供前景。论文以“Review on 3D Printing of Bioinspired Structures for Surface/Interface Applications”为题， 发表在Advanced Functional Materials期刊。圣地亚哥州立大学及加州大学圣地亚哥分校联合培养博士生Qingqing He，亚利桑那州立大学博士生Tengteng Tang，南加州大学博士生Yushun（Sean） Zeng为论文的共同第一作者。论文参与者还包括亚利桑那州立大学Nadine Iradukunda和圣地亚哥州立大学Brandon Bethers。
1.三维打印具有超疏水性能的生物启发界面结构
超疏水表面的结构设计原理源于微米级和纳米级特征的结合，这些特征协同作用，创造出高度憎水的表面。这些原理包括引入微观粗糙度，通常采用微结构图案的形式，从而增大水滴的表观接触角，最大限度地减小接触面积。这些微纳米结构的分层组合是超疏水设计的一大特点，微米级特征提供了稳定性，而纳米级元素则有助于降低附着力，从而使水滴非常容易地从表面滚落。在微观尺度上，表面粗糙度通常以结构图案或纹理的形式出现，通过增大水滴的表观接触角、减小接触面积和提高拒水性发挥着至关重要的作用。在纳米尺度上，加入具有低表面能特性的纳米结构或纳米涂层（如疏水材料）可进一步增强表面的憎水性。微米级和纳米级特征的分层组合是超疏水设计的标志，其中微米级元素提供了稳定性，而纳米级特征则有助于降低附着力。这种协同作用使水滴毫不费力地从表面滚落。了解和优化这些结构特征是创造有效超疏水表面的关键，可应用于自清洁、防污和微流体系统等领域。三维打印技术具有效率高、分辨率高以及能够制造复杂微小结构等优点，在制造各种受自然启发的超疏水表面方面发挥着关键作用。
2.三维打印可降低阻力的生物启发界面结构
自然界生物的独特特性为人类在解决全球工程问题方面提供了无尽的启示。本部分聚焦介绍了减小阻力的自然结构设计和原理，以及传统制造方法用于降低阻力的方式。同时，对制造过程中的挑战进行了简要总结，并强调了三维打印的优势以及在打印阻力结构方面的应用。仿生微结构对阻力的影响因其具体设计和应用而异。一些微结构的设计灵感源自自然，能够减小阻力、改善流体力学性能，进而提高运输和运动等应用的效率和性能。相反，在其他情境下，微结构可能会增加阻力，但却具备增强附着力、防污性能或微流体精确控制等优势。在微流体设备中，人工纤毛或受纤毛启发的微结构可用于操纵流体，产生流体流动或传输颗粒。在某些情况下，微结构的增加阻力反而会提高混合和控制效果，影响流体传输的效率。减阻结构广泛应用于现代社会的日常场景，例如潜艇、轮船、飞机、水和石油管道运输、泳衣制造、风力发电机、高速列车等。然而，这些结构在加工和制造过程中面临一系列挑战。三维打印技术的应用有望解决这些问题，并在流体还原领域展开更多研究工作，以深入探索在面对全球性难题时借鉴自然行为的可能性。
3.三维打印各向异性液体传输的生物界面结构
自然界中许多生物进化出了各向异性的微结构表面，以实现对其生存至关重要的各向异性水输送。以Araucaria叶片为例，其表面具有毫米级的三维棘轮，使液体在毛细力的作用下能够沿着棘轮平面的内侧和外侧流动。液滴在各向异性结构表面上展现的单向驱动特性是由非均匀表面势能所决定。液滴在接触各向异性表面时，不同位置的表面曲率引起表面势能梯度。对自然结构表面上液滴各向异性传输的研究使我们更深刻地理解了其中的原理，并为设计各向异性水传输表面提供了灵感。这在微流控设备、生物医学和液滴操纵等领域中扮演着关键角色。
4.用于水收集和清洁的生物启发界面结构的三维打印技术
本章节总结并展示了三维打印生物启发材料、工艺和应用。对于三维打印水收集和水油分离结构而言，挑战在于工艺优化和适应性问题。此外，未来还需要研究水收集结构的潜在应用，包括高效废水处理、淡水收集和气雾收集。
5.用于药物输送的生物启发界面结构的三维打印技术
至今，微针在医疗领域，尤其是透皮给药等应用方面取得了显著的进展。随着各种立体光刻技术的不断发展，生产微针的方法日益多样化。通过持续的研究和增材制造能力的提升，微针设计方面的进步包括结构复杂性的提高。更高的复杂性可增强微针的使用效率和能力，包括提高给药速度/效率、药物/疫苗应用的一致性、粘附/牵引力和抗压强度。尽管在微针的设计、制造和应用方面取得了巨大进步，但未来的研究仍需克服一些挑战。例如，通过不同的添加制造工艺获取的材料分辨率和耐用性有限，需要扩大或大规模生产添加制造的微针能力，以及在耐用性和可运输性方面提升通过添加制造手段生产的微针的能力。仿生微针因其增强的特性而在各个领域展现出潜力，使其成为比传统微针更具吸引力的选择。由于微针体积小、表面特性独特，因此可以与生物表面如皮肤进行良好互动。尖锐的针尖和表面涂层对于减少插入时的不适感和组织损伤至关重要。通过表面工程技术，包括表面改性和涂层，可以优化微针与生物界面之间的相互作用，提高微针的性能和病人的舒适度。一些应用领域包括透皮给药、眼部给药、疫苗给药、止血和葡萄糖检测。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202309323
通讯作者简介
杨阳：博士，助理教授。2009年获得武汉大学物理学学士学位。2015 年在武汉大学和加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 获得联合培养博士学位。其研究重点是仿生3D打印的机器、材料和结构开发。在加入圣地亚哥州立大学（SDSU） 之前，杨博士博士后就职于南加州大学 (USC) 工业与系统工程系先进制造中心（Center for Advanced Manufacturing）。他曾获得“2022年 SME Sandra L. Bouckley Outstanding Young Manufacturing Engineer Award”，并撰写了 50 多篇同行评审出版物，如“Science Advances”“Advanced Materials”“Energy & Environmental Science”“Research”。也同时是Advanced Materials、Small、Additive Manufacturing等多家期刊审稿人。他的工作得到了 NSF 和 SDSU seed grant的支持。
李向家，博士，亚利桑那州立大学物质、传输与能源工程学院机械与航空航天工程系助理教授。于 2019 年成功获得南加州大学工业与系统工程博士学位。李博士研究重点是基于光聚合的增材制造、利用生物启发设计方法以及可编程功能材料的开发。这些研究领域为界面技术、生物医学工程、软致动器、光学和柔性电子学的潜在应用带来了巨大前景。李博士最近的研究成果获得了广泛认可，包括在美国机械工程师学会 MSEC2022 和 MSEC2023 会议上获得最佳论文奖。此外，她还荣获了 2023 年 SME Delcie R. Durham 杰出青年制造工程师奖。
