3D打印制备仿生超疏水微结构

自然界的动植物给我们提供了很多功能性结构的设计灵感，促进了仿生智能结构研究的发展。其中多功能表面的仿生微结构，特别是受植物叶子启发的超疏水表面结构，由于其非常广泛的实际应用而受到越来越多的关注。该超疏水结构具有很高的科学研究和经济应用价值，例如在自清洁，抗腐蚀，油/水分离，微反应器和液滴操作等领域的应用。

▲ 图一，仿生超疏水结构的设计，（a-c）Salvinia Molesta植物超疏水叶片上的打蛋器微结构示意图，（d）3D打印打蛋器微结构和平面结构的疏水性对比，（e）3D打印打蛋器微结构的SEM图

经典的超疏水案例是具有莲花叶片效应的超疏水结构（Lotus effect），水滴在叶片上形成完美的球形且易于滑落，这是由于叶片上具有微纳米尺寸的疏水性结构，该结构可以用于自清洁。另一个案例是可以吸附水滴的超疏水表面（“Salvinia效应”），该结构来源于Salvinia Molesta叶片上独特的打蛋器形状微结构，打蛋器的尖端具有亲水性结构，而其表面布满纳米状的超疏水结构。这样，空气可以长期保持在打蛋器形状内部，使得叶片表面与水可以隔离开，而保证了其长时间存活。然而，传统制造技术很难仿造出自然界中复杂的微结构，为了解决这一问题，南加州大学Yong Chen教授课题组采用‘沉浸表面累积三维打印工艺’（Immersed surface accumulation based 3D Printing）（图二），制造出了仿生Salviniamolesta叶片的超疏水打蛋器微结构（图一）。

▲ 图二，沉浸表面累积三维打印工艺（ Immersed surfaceaccumulation based 3D Printing）示意图

将多壁碳纳米管添加到光固化树脂中以增强微结构的表面粗糙度和机械强度。结果表明，3D打印的打蛋器微结构表面在超疏水和Rose Petal效应方面表现出诸多有趣的性能。打蛋器表面与水滴的粘附力（从23微牛到55微牛）可以很容易地通过设计不同的臂数来调节（图三），可以作为‘微型机械手’来操控微液滴，例如无损转移，分离，反应混合以及三维细胞培养等（图四）。此外，该新型仿生结构可以用于油污的吸附和高效油水分离（图五）。该研究成果以‘3D-Printed Biomimetic Super-Hydrophobic Structure for Microdroplet Manipulation and Oil/Water Separation’为题发表在Advanced Materials 上。

▲ 图三，3D打印具有不同臂数（N=2，4，6，8）的打蛋器结构来调节其接触角和对水滴的粘附力

▲ 图四， 3D 打印仿生打蛋器微结构用于微反应器的基底（a-c），液滴的分离（e）和无损转移（f）以及细胞的3D培养（g）（3D cell culture）。

▲ 图五，3D 打印仿生打蛋器微结构用于油污的吸附（a-c），液滴的分离（e）和无损转移（f）以及细胞的3D培养（g）（3D cell culture）。

我们认为该研究将有助于进一步了解界面润湿状态以及超疏水表面的原理。此外，考虑到3D打印方法的灵活性和有效性，该结构可能在生物医学和环境工程中有着广泛的应用前景，例如微液滴操控，基于液滴的生物检测，药物测试和大批量的油/水分离等。该工作得到了自然科学基金（NSF, Grant Nos.CMMI 1335476, CMMI-1151191, and CMMI 1663663) 和南加大的Epstein Institute的支持。

课题组博士后Yang Yang和博士生Xiangjia Li 为共同第一作者。
来源：高分子科学前沿