3D打印制備仿生超疏水微結構

自然界的動植物給我們提供了很多功能性結構的設計靈感，促進了仿生智能結構研究的發(fā)展。其中多功能表面的仿生微結構，特別是受植物葉子啟發(fā)的超疏水表面結構，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，仿生超疏水結構的設計，（a-c）Salvinia Molesta植物超疏水葉片上的打蛋器微結構示意圖，（d）3D打印打蛋器微結構和平面結構的疏水性對比，（e）3D打印打蛋器微結構的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構，該結構可以用于自清潔。另一個案例是可以吸附水滴的超疏水表面（“Salvinia效應”），該結構來源于Salvinia Molesta葉片上獨特的打蛋器形狀微結構，打蛋器的尖端具有親水性結構，而其表面布滿納米狀的超疏水結構。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構的表面粗糙度和機械強度。結果表明，3D打印的打蛋器微結構表面在超疏水和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構用于微反應器的基底（a-c），液滴的分離（e）和無損轉移（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構用于油污的吸附（a-c），液滴的分離（e）和無損轉移（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