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科研级超高精度3D打印在仿生材料领域的应用

发布时间:2022-06-20      点击次数:180

     自然进化使得生物材料具有优化的宏观和微观结构、自适应性、自愈合能力以及优异的机械性能、润湿性、粘附性等多种特点。随着仿生学的深入开展,人们不仅从外形、功能去模仿生物,而且还从生物奇特的结构中得到不少启发进行仿生制造。自然界的动植物就给我们提供了很多功能性结构的灵感从而设计出不同应用领域的仿生材料。

 

     仿生材料,其研究起源于对天然材料的详细考察,通常是指模仿生物的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料。根据仿生材料所针对的天然生物材料的不同特性,仿生材料可以包括仿生高强度材料、仿生超亲水/超疏水材料、仿生高黏附材料、仿生智能薄膜材料以及仿生机器人等。

 

     仿生材料来源于对天然材料的模仿,又与实际应用关系密切,多功能表面的仿生微结构如超疏水表面结构就是受植物叶子启发所设计,如根据荷叶不会粘上水珠这一现象仿生制备了超疏水薄膜,通过仿生牙釉质微观结构制备坚韧仿生材料用于飞行器等。经过近些年仿生材料领域科学家的努力,荷叶表面、猪笼草、蜘蛛丝、水黾腿部等的微观结构都已经被揭示出来,并成为设计制备仿生材料的重要指导依据,其在自清洁,抗腐蚀,油/水分离,微反应器和液滴操作等均具有非常广泛的实际应用。

 

     尽管仿生材料研究正处于一个蓬勃发展的阶段,但目前传统制造技术很难仿造出自然界中复杂的微结构,越来越多的研究人员考虑用3D打印的加工方式来弥补传统加工方式的不足。摩方超高精度3D打印设备就为这种复杂的微结构加工提供了可能,其分辨率高达2μm,具有高分辨率、超高精度、跨尺度加工、适用材料广、加工效率高、加工成本低等诸多特点,非常适用于制作微尺度的复杂三维结构。

 

     下面就列举了一些摩方超高精度3D打印系统制备的仿生微结构案例,希望能给大家带来一些启发,为仿生领域提供一种高效的加工手段;


 

一、仿生麦芒结构:


 

 

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     麦芒上分布着许多取向性坚硬倒刺使其表现出摩擦各向异性特征,通过研究其结构特征能够揭示出其背后的科学机制;


 

     同天然麦芒相比,3D打印麦芒上面的倒刺尺寸、排布密度和倾斜角度可自由调控,并能够很好地与被接触基底表面进行相互作用,实现摩擦各向异性的最.大化;

 

文章链接地址:  
Small(DOI: 10.1002/smll.201802931)


 

摩方设备打印样品

微结构尖.端最小尺寸:8μm,使用设备:nanoArch S130,分辨率:2μm


 

 

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二、仿生仙人掌簇状的针型微结构 :

 

 

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     仙人掌刺微结构有助于水滴的凝结和运输,通过3D打印可改变仙人掌刺微结构表面的疏水性能以进一步增加水滴凝结的速率

 

文章链接地址: 
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admi.201901752

 

     此类簇状针型微结构同样可利用摩方超高精度3D打印系统制作,能够直接快速成型,分辨率2-10μm,最小细节可达5μm;


 

三、仿生槐叶萍固液气界面表面结构(气膜恢复机理):

 

 

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     水下固液气界面在大压强、高流速以及气体扩散等因素的影响下易发生失稳甚至消失,这严重影响了水下生物的生存条件以及固液气界面的工程应用,而槐叶萍却具有极.强的环境适应能力,这源于其表面特殊微结构产生气膜的作用。通过研究槐叶萍表面的微结构及其水下固液气界面力学特性,能够发现一种新的水下固液气界面稳定性机理;


 

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


 

以下为通过摩方3D打印设备制造的槐叶萍叶片表面,基于实际槐叶萍叶片尺寸放大10倍打印,以验证这种结构仿生机制的可行性;


 

使用设备:nanoArchS140,分辨率:10μm;圆柱直径300μm,底部最小缝隙10um左右;

 

 

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四、仿生叶片的超疏水打蛋器微结构:

 

 

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     传统制造技术很难仿造出此类复杂的微结构,而利用3D打印方式可以灵活实现出研究者想要的臂数以调节表面结构与水滴的粘附力;此类结构可以作为‘微型机械手’来操控微液滴,也可用于油污的吸附和高效油水分离

 

文章链接地址: 
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704912/epdf

 

摩方设备打印样品:

最小杆径:30μm,使用设备:nanoArch S130,分辨率:2μm

 

 

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五、仿生微针结构:

 

 

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     微针(MN)是一种长度为数百微米的微型针,由于其微创,无痛且易于使用的特性而受到了广泛的关注;

仿生微针在组织中具有持续的药物释放行为,其在软组织应用中具有的强大潜力,在经皮下给药、组织伤口愈合、长期体内药物传递和生物传感方面具有丰富的应用前景;

 

此案例作者基于PμSL技术,制备出具有倒刺结构的高粘附性仿生微针;

 

文章链接地址

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

 

摩方3D打印系统打印的其它微针结构: 

最小尖.端直径:15μm,使用设备:nanoArch S140,分辨率:10μm,层厚20μm


 

 

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结尾

     以上,是超高精度3D打印在仿生领域的应用分享,除了上述介绍的具有代表性的仿生材料以外,还有许多其他仿生材料也在迅速发展,例如仿鲨鱼皮、仿蘑菇头、仿蜂巢、仿水母等;而摩方的超高精度3D打印技术,分辨率高达2μm,并能兼顾大幅面,目前还在进一步丰富打印材料库,如水凝胶材料,磁性功能材料等,将进更好地服务仿生微结构的加工和验证。