一、研究背景

自然界长期以来一直是工程创新的灵感源泉。仿生学方法已催生出多种变革性技术，如受荷叶启发的自清洁表面、模仿鸟羽的涡流襟翼以及源自牛蒡刺的维可牢搭扣系统。除了模仿自然，人类还直接利用天然材料，这些涉及非生命生物材料（生物基材料）的技术深刻影响了人类历史和技术发展。

生物混合工程的最新进展进一步推动了这一范式，将生物基材料无缝整合到工程系统中。此类创新包括能够自主感知、修复和适应的软生物混合机器人系统。然而，尽管现有生物混合系统在机器人技术和传感领域取得了一定进展，但将生物基材料应用于先进制造仍未得到充分探索。

自然界中存在多种具有复杂结构和优异性能的微型分配尖端，如昆虫口器和植物木质部导管。雌性蚊子口器具有坚硬、近乎笔直的结构，配备振动辅助机制，能够以最小的力刺穿表面并精确进入血管，其独特的机械、几何和结构特性使其成为分配应用的理想候选材料。

二、研究内容

2.1 生物微型分配尖端的筛选

研究人员对自然界中的生物微型分配尖端进行了全面调查，将其分为流体沉积型和流体抽取型两大类：

• 流体沉积型：包括蜜蜂、黄蜂和蝎子的毒刺，毒蛇的毒牙，蜈蚣的爪以及芋螺的鱼叉状结构，主要用于向环境中喷射物质；
• 流体抽取型：包括植物木质部导管和昆虫口器，用于从环境中吸收流体并运输到生物体内。

理想的3D打印分配尖端应具备以下特性：最小曲率、较高的刚度和强度、合适的内径和长度。通过系统分析，雌性蚊子口器因其以下优势被选为最佳候选：

• 近乎零曲率的笔直结构；
• 平均内径为20-25μm，小于市售金属和塑料分配尖端；
• 长度约2mm，便于操作且可通过制造调整背压；
• 刚度约200MPa，与普通塑料相当；
• 全球广泛分布、易于饲养，可获得性高。

图1. 生物DIW喷嘴的筛选过程。(A) 按类别总结自然界中可用的生物微型分配尖端的选择图表；(B) 阿什比图展示了几种生物微型分配尖端类别的曲率和内径，本研究中使用的埃及伊蚊以红色突出显示；(C) 参数分析轮，突出显示DIW打印机喷嘴的相关参数，并研究雌性蚊子口器作为打印机喷嘴的可行性。

2.2 3D死灵打印系统设计

研究人员开发了定制化的直接墨水书写（DIW）3D打印机，该系统包括：

• 高分辨率运动平台，可安装生物微型分配尖端；
• 活塞驱动挤出机，能够实现微米级分配分辨率；
• Arduino微控制器和DC信号开关，实现运动平台与挤出机的同步。

蚊子口器与定制打印机的集成采用鲁尔锁（Luer-Lock）机制，将生物微型分配尖端直接粘合到工程分配尖端的出口，形成从注射器筒到生物微型分配尖端的连续流体通道。为验证挤出可行性，研究人员成功使用Cellink Start生物墨水（一种用于细胞支持结构3D打印的现成生物墨水）进行了挤出演示。

图2. 3D死灵打印的概念和配置。(A) 定制设计的DIW 3D打印机示意图，配备活塞驱动挤出机；(B) 用于高分辨率打印应用的工程生物微型分配尖端概念示意图；(C) 实验装置显示雌性蚊子口器安装在定制3D DIW打印机上，通过树脂支撑将口器附着在标准30G分配尖端上（比例尺：50μm）；(D) 展示雌性蚊子口器分配尖端挤出Cellink Start凝胶（一种3D可打印生物墨水）的快照序列（比例尺：50μm）。

2.3 机械失效特性分析

研究人员通过实验和理论分析，研究了蚊子口器在打印过程中的机械失效行为：

2.3.1 失效模式识别

实验发现两种主要失效模式：

1. 1型失效（尖端堵塞诱导的超压）：当剪切变稀墨水从生物微型分配尖端挤出并在出口堆积时，剪切应力消失，墨水呈现固相行为，形成堵塞，导致喷嘴出口内部压力升高，最终在出口处发生断裂；
2. 2型失效（高粘度诱导流动需求导致的均匀超压）：当剪切变稀墨水的表观粘度过高时，维持特定墨水速度所需的背压增加，当背压超过蚊子口器的材料强度时，断裂发生在靠近入口的上部区域。

2.3.2 爆破压力测试

研究人员构建了定制化的爆破压力测量装置，通过缓慢移动注射器 plunger 创造准静态压力，直到蚊子口器失效。多次爆破压力测试得出平均爆破压力为59.7kPa。

2.3.3 薄壁压力容器模型分析

将蚊子口器理想化为均匀薄壁管，应用薄壁压力容器模型分析，计算得出失效时的纵向应力（σ_zz）和环向应力（σ_θθ）分别为354kPa和708kPa。由于环向应力占主导地位，且轴向裂纹垂直于环向应力方向，结果表明蚊子口器的机械失效可能由周向主应力控制。

图3. 雌性蚊子口器分配尖端的机械失效。(A) 快照展示在Cellink Start生物墨水挤出过程中，由于尖端堵塞诱导的超压，蚊子口器侧壁的裂纹扩展（比例尺：50μm）；(B) 快照展示在Pluronic F-127生物墨水挤出过程中，由于高粘度诱导流动需求导致的均匀超压，裂纹扩展（比例尺：50μm）；(C) 用于量化口器破裂压力的爆破压力测试示意图（比例尺：100μm）；(D) 单次测试中蚊子口器内部压力随时间变化；(E) 导致材料失效的记录爆破压力；(F) 用于分析材料强度的薄壁压力容器模型；(G) 1型失效示意图，突出显示在没有施加剪切应力的情况下墨水凝胶化导致的喷嘴出口压力累积；(H) 2型失效示意图，突出显示口器入口处的过高压力；(I) 由失效分析生成的操作指南，突出显示可实现的最大墨水挤出速度与粘度参数的关系。

2.3.4 操作参数指南

采用赫歇尔-巴克利（Herschel-Bulkley）模型将墨水速度（操作条件）与墨水和蚊子口器的固有特性相关联。对于40%（w/v）Pluronic F-127生物墨水（一致性系数375 Pa·sⁿ，流动行为指数0.05，屈服应力310 Pa），最大允许墨水速度约为0.015 mm/s（即15μm/s）。

2.4 工艺窗口与打印性能

为避免过度挤出或挤出不足，研究人员通过参数研究确定了最佳工艺窗口，定义了墨水挤出速度（v_ink）和喷嘴移动速度（v_nozzle）的最佳组合：

• 过度挤出：拉伸比（r = v_ink/v_nozzle）>1，表现为不均匀但连续的打印线条，通常伴随1型失效；
• 良好挤出：0.25 < r ≤1，表现为连续均匀的理想打印线条，线宽接近蚊子口器的内径（20-30μm）；
• 挤出不足：r ≤0.25，表现为断裂/不连续的细丝。

3D死灵打印实现了约20μm的打印分辨率，比标准34G分配尖端（约50μm内径）精细约250%，甚至优于专业36G分配尖端（约35μm分辨率）。

图4. 3D死灵打印的工艺窗口和打印微结构。(A) 图表描述了Pluronic F-127生物墨水在不同墨水挤出速度和喷嘴移动速度组合下的预期挤出行为，右侧快照光学图像直观展示了三种打印状态（良好挤出、挤出不足和过度挤出）及其对雌性蚊子口器分配尖端物理状态的影响（比例尺：100μm）；(B) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D蜂窝结构；(C) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D枫叶结构；(D) 使用雌性蚊子口器分配尖端和含有B16癌细胞悬浮液的Pluronic F-127打印的3D网格支架。

2.5 应用演示

研究人员展示了3D死灵打印的多种应用：

1. 蜂窝结构：总体尺寸约600μm×600μm×310μm，挤出细丝的打印线宽约22μm，实现了超越标准金属和塑料分配尖端分辨率能力的微观结构；
2. 枫叶结构：尺寸为900μm×870μm×310μm，打印线宽约18μm，展现出更高的层间打印线条保真度；
3. 细胞负载支架：600μm×600μm×310μm的网格支架，线宽28μm，使用含有B16癌细胞和红细胞的Pluronic F-127墨水打印，打印后细胞存活率为86.1%±2.1%（n=3），证实了该技术在微观尺度生物应用中的潜力；
4. 高分辨率药物递送：以水凝胶为模型药物载体，猪皮为组织类似物，实现了皮升级别的材料摄取和再沉积，模拟活体组织中的治疗递送。

三、研究结论

本研究成功概念化、制造并演示了生物分配尖端在DIW打印过程中的应用，以雌性蚊子口器作为模型沉积喷嘴。主要结论如下：

1. 通过对生物微型分配尖端的系统评估，确定雌性蚊子口器是生物混合制造的最佳候选材料，其具备足够的机械强度和抗断裂性，可用于挤出常用墨水；
2. 建立了蚊子口器喷嘴的操作工艺窗口，3D死灵打印实现了18-28μm的分辨率，超越了市售34G分配尖端（约50μm分辨率），甚至优于昂贵且不可降解的专业36G分配尖端（约35μm分辨率）；
3. 成功打印了复杂结构（如蜂窝支架、枫叶）和负载活细胞的支架，突显了该生物混合DIW工艺的多功能性；
4. 与玻璃拉制分配尖端相比，蚊子口器分配尖端在耐用性、一致性、生物降解性和成本方面具有显著优势，每只蚊子饲养成本低于0.02美元，生物微型分配尖端的组装成本约为0.8美元/个；
5. 蚊子口器具有明确的爆破压力，可被动限制挤出力，作为生物"保险丝"保护敏感的细胞负载生物墨水免受剪切诱导损伤，这是合成微喷嘴所不具备的固有保障。

四、论文信息