3D打印制備仿生超疏水微結(jié)構

自然界的動植物給我們提供了很多功能性結(jié)構的設計靈感，促進了仿生智能結(jié)構研究的發(fā)展。其中多功能表面的仿生微結(jié)構，特別是受植物葉子啟發(fā)的超疏水表面結(jié)構，由于其非常廣泛的實際應用而受到越來越多的關注。該超疏水結(jié)構具有很高的科學研究和經(jīng)濟應用價值，例如在自清潔，抗腐蝕，油/水分離，微反應器和液滴操作等領域的應用。

▲ 圖一，仿生超疏水結(jié)構的設計，（a-c）Salvinia Molesta植物超疏水葉片上的打蛋器微結(jié)構示意圖，（d）3D打印打蛋器微結(jié)構和平面結(jié)構的疏水性對比，（e）3D打印打蛋器微結(jié)構的SEM圖

經(jīng)典的超疏水案例是具有蓮花葉片效應的超疏水結(jié)構（Lotus effect），水滴在葉片上形成完美的球形且易于滑落，這是由于葉片上具有微納米尺寸的疏水性結(jié)構，該結(jié)構可以用于自清潔。另一個案例是可以吸附水滴的超疏水表面（“Salvinia效應”），該結(jié)構來源于Salvinia Molesta葉片上獨特的打蛋器形狀微結(jié)構，打蛋器的尖端具有親水性結(jié)構，而其表面布滿納米狀的超疏水結(jié)構。這樣，空氣可以長期保持在打蛋器形狀內(nèi)部，使得葉片表面與水可以隔離開，而保證了其長時間存活。然而，傳統(tǒng)制造技術很難仿造出自然界中復雜的微結(jié)構，為了解決這一問題，南加州大學Yong Chen教授課題組采用‘沉浸表面累積三維打印工藝’（Immersed surface accumulation based 3D Printing）（圖二），制造出了仿生Salviniamolesta葉片的超疏水打蛋器微結(jié)構（圖一）。

▲ 圖二，沉浸表面累積三維打印工藝（ Immersed surfaceaccumulation based 3D Printing）示意圖

將多壁碳納米管添加到光固化樹脂中以增強微結(jié)構的表面粗糙度和機械強度。結(jié)果表明，3D打印的打蛋器微結(jié)構表面在超疏水和Rose Petal效應方面表現(xiàn)出諸多有趣的性能。打蛋器表面與水滴的粘附力（從23微牛到55微牛）可以很容易地通過設計不同的臂數(shù)來調(diào)節(jié)（圖三），可以作為‘微型機械手’來操控微液滴，例如無損轉(zhuǎn)移，分離，反應混合以及三維細胞培養(yǎng)等（圖四）。此外，該新型仿生結(jié)構可以用于油污的吸附和高效油水分離（圖五）。該研究成果以‘3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure for Microdroplet Manipulation and Oil/Water Separation’為題發(fā)表在Advanced Materials 上。

▲ 圖三，3D打印具有不同臂數(shù)（N=2，4，6，8）的打蛋器結(jié)構來調(diào)節(jié)其接觸角和對水滴的粘附力

▲ 圖四， 3D 打印仿生打蛋器微結(jié)構用于微反應器的基底（a-c），液滴的分離（e）和無損轉(zhuǎn)移（f）以及細胞的3D培養(yǎng)（g）（3D cell culture）。

▲ 圖五，3D 打印仿生打蛋器微結(jié)構用于油污的吸附（a-c），液滴的分離（e）和無損轉(zhuǎn)移（f）以及細胞的3D培養(yǎng)（g）（3D cell culture）。

我們認為該研究將有助于進一步了解界面潤濕狀態(tài)以及超疏水表面的原理。此外，考慮到3D打印方法的靈活性和有效性，該結(jié)構可能在生物醫(yī)學和環(huán)境工程中有著廣泛的應用前景，例如微液滴操控，基于液滴的生物檢測，藥物測試和大批量的油/水分離等。該工作得到了自然科學基金（NSF, Grant Nos.CMMI 1335476, CMMI-1151191, and CMMI 1663663) 和南加大的Epstein Institute的支持。

課題組博士后Yang Yang和博士生Xiangjia Li 為共同第一作者。
來源：高分子科學前沿