3D打印制備仿生超疏水微結(jié)構(gòu)

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

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

經(jīng)典的超疏水案例是具有蓮花葉片效應(yīng)的超疏水結(jié)構(gòu)（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(gòu),，該結(jié)構(gòu)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(yīng)”），該結(jié)構(gòu)來源于Salvinia Molesta葉片上獨特的打蛋器形狀微結(jié)構(gòu),，打蛋器的尖端具有親水性結(jié)構(gòu),，而其表面布滿納米狀的超疏水結(jié)構(gòu)。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(shù)很難仿造出自然界中復雜的微結(jié)構(gòu),，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(gòu)（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(gòu)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(gòu)表面在超疏水和Rose Petal效應(yīng)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(shè)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(yīng)混合以及三維細胞培養(yǎng)等（圖四）,。此外,，該新型仿生結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)用于微反應(yīng)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(gòu)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(gòu)可能在生物醫(yī)學和環(huán)境工程中有著廣泛的應(yīng)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