用“蚊子”，發(fā)了一篇Science子刊！

蚊子口器變身超高分辨率3D打印“生物噴頭”

自然一直是工程創(chuàng)新的靈感源泉。隨著生物混合研究的進步，科學家開始直接將生物材料整合到工程系統(tǒng)中。然而，在先進制造領(lǐng)域，尤其是在高分辨率流體分配方面，傳統(tǒng)的金屬或塑料微分配尖端不僅成本高昂、制造復雜，且因不可生物降解而帶來沉重的環(huán)境負擔。僅在美國，每年使用超過40億個分配尖端，全球用量更為驚人。如何找到一種既高性能又可持續(xù)的廉價替代方案，成為了一個緊迫的挑戰(zhàn)。

近日，麥吉爾大學曹長宏副教授、李劍宇助理教授開發(fā)處一種名為“3D necroprinting”（3D死體打印）的創(chuàng)新生物混合制造技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)巧妙地重新利用了雌性蚊子的口器（proboscis）作為超高分辨率的3D打印噴嘴。研究表明，得益于蚊子口器獨特的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和力學性能，其打印線寬可精細至20微米，比市售的36號（內(nèi)徑約35微米）分配尖端還要精細約100%。這種“生物噴頭”能夠承受約60千帕的內(nèi)部壓力，有效擠出流體，并成功打印出蜂窩結(jié)構(gòu)、楓葉以及封裝癌細胞和紅血細胞的生物支架等復雜微觀結(jié)構(gòu)。這項工作為可持續(xù)的先進制造和微工程解決方案開辟了新道路。相關(guān)論文以“3D necroprinting: Leveraging biotic material as the nozzle for 3D printing”為題，發(fā)表在Science Advances上。

研究團隊首先對自然界中各類可用于流體輸送的微觀生物結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)梳理與篩選。他們分析了包括蝎子毒刺、蛇牙、錐螺魚叉、蜈蚣毒爪以及各類昆蟲口器在內(nèi)的多種“生物微分配尖端”，并繪制了它們的彎曲度與內(nèi)徑關(guān)系圖。綜合考量直線度、剛度、內(nèi)徑和長度等因素后，具有筆直、堅硬、內(nèi)徑微小（平均20-25微米）且易于獲取等優(yōu)點的雌性蚊子口器脫穎而出，被選為最理想的候選者。

圖1. 生物DIW噴嘴的選擇過程。 (A) 按類別匯總自然界可用生物微分配尖端的選擇圖表。毒刺：示例為蝎子。毒牙：示例為蛇（毒牙顏色經(jīng)修改以突出外觀）。魚叉：示例為錐螺。毒爪：示例為蜈蚣。在頭部下方彎曲：示例為獵蝽。縮回頭部：示例為澳大利亞蜂虻。在頭前彎曲：示例為蚊子。卷曲式：示例為蝴蝶。植物木質(zhì)部導管：示例顯示普通植物根部多通道的SEM圖像。所有照片均轉(zhuǎn)載自外部來源。(B) 展示幾類生物微分配尖端彎曲度與內(nèi)徑的Ashby圖。本研究所用蚊子種類（即埃及伊蚊）以紅色突出顯示。(C) 參數(shù)分析輪，突出了DIW打印機噴嘴的關(guān)注參數(shù)，以及對雌性蚊子口器這些參數(shù)的調(diào)查，以確定其作為打印機噴嘴的可行性。

為了將這一生物尖端用于3D打印，研究人員設(shè)計并搭建了一套定制的直接墨水書寫（DIW）3D打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心在于通過一種巧妙的連接方式，將分離出的蚊子口器作為生物噴嘴，集成到標準的分配尖端接口上，從而實現(xiàn)了從注射器到生物噴嘴的連續(xù)流體通路。實驗演示成功擠出了常用于細胞打印的生物墨水，證實了基本功能的可行性。

圖2. 3D死體打印的概念與配置。 (A) 定制DIW 3D打印機示意圖，采用活塞驅(qū)動擠出機。(B) 為高分辨率打印應(yīng)用設(shè)計的工程化生物微分配尖端概念示意圖。(C) 實驗裝置圖，顯示雌性蚊子口器通過樹脂支撐附著在標準30G分配尖端上，并安裝在定制3D DIW打印機上。比例尺為50微米。插圖蚊子圖像轉(zhuǎn)載自公共領(lǐng)域。(D) 展示雌性蚊子口器分配尖端擠出可3D打印生物墨水Cellink Start凝膠的連續(xù)快照。比例尺為50微米。

然而，使用生物材料作為機械部件，必須了解其失效機理。研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)了蚊子口器噴嘴在打印過程中的兩種主要失效模式。當打印剪切變稀型墨水時，如果墨水在噴嘴出口處因失去剪切應(yīng)力而凝膠化堆積，會形成堵塞，導致出口處壓力驟增，最終引發(fā)口器側(cè)壁從出口端開始出現(xiàn)軸向裂紋并破裂（I型失效）。另一方面，當墨水表觀粘度過高，為維持流速所需的反壓力超過口器材料本身的強度時，破裂則會穩(wěn)定地發(fā)生在靠近入口的上段（II型失效）。通過薄壁壓力容器模型分析，他們首次量化了蚊子口器材料的強度，其周向應(yīng)力失效臨界值約為708千帕。

基于對失效機理的理解，團隊進一步建立了打印過程的工藝窗口。他們發(fā)現(xiàn)，要獲得連續(xù)均勻的打印線條，關(guān)鍵在于平衡墨水擠出速度與噴嘴移動速度，即控制“拉伸比”。當拉伸比在0.25到1之間時，可以實現(xiàn)良好的擠出，打印線寬可穩(wěn)定在20-30微米，接近口器的內(nèi)徑。超出此范圍，則會出現(xiàn)過度擠出導致墨水堆積或噴嘴破裂，或擠出不足導致線條斷裂。

圖3. 雌性蚊子口器分配尖端的機械失效。 (A) 展示在擠出Cellink Start生物墨水時，因尖端堵塞誘發(fā)超壓導致蚊子口器側(cè)壁裂紋擴展的快照。墨水顏色經(jīng)過強調(diào)以突出破裂現(xiàn)象。比例尺為50微米。(B) 展示在擠出Pluronic F-127生物墨水時，因高粘度導致流動需求引起的均勻超壓導致破裂擴展的快照。比例尺為50微米。(C) 用于量化口器破裂壓力的爆破壓力測試示意圖。比例尺為100微米。(D) 單次測試迭代中，蚊子口器內(nèi)部壓力隨時間變化的曲線。(E) 誘發(fā)材料失效的記錄的爆破壓力值。(F) 用于分析材料強度的薄壁壓力容器模型。示意圖包括復雜雌性蚊子口器結(jié)構(gòu)的前視圖和橫截面視圖（左）及其在薄壁近似下的簡化表示（右）。(G) 示意圖說明蚊子口器在擠出過程中的I型失效（尖端堵塞誘發(fā)超壓），突出顯示了當墨水在沒有施加剪切應(yīng)力的情況下凝膠化時，口器出口處的壓力積聚。出口壓力被定性表示為幾乎等于口器入口壓力。最高壓力區(qū)域以鮮紅色標示。(H) 示意圖描述蚊子口器在擠出過程中的II型失效（高粘度誘導的流動需求導致的均勻超壓），突出顯示了口器入口處的過高壓力。(I) 根據(jù)失效分析生成的操作指南圖，突出了可實現(xiàn)的最大墨水擠出速度作為粘度參數(shù)的函數(shù)。

在明確的操作指南下，3D死體打印技術(shù)展現(xiàn)了卓越的性能。研究人員成功打印了多種高分辨率微觀結(jié)構(gòu)：一個尺寸約600×600×310微米的蜂窩結(jié)構(gòu)，其打印線條寬度約為22微米，層間保真度高；一個楓葉結(jié)構(gòu)，線條更為清晰，寬度降至約18微米；以及一個裝載了B16癌細胞的網(wǎng)格支架，線條寬度為28微米，打印后細胞存活率高達86.1%。這些演示不僅超越了常用34G商用針頭約50微米的分辨率，甚至優(yōu)于昂貴的36G專用針頭（約35微米），凸顯了該技術(shù)在制造復雜微觀結(jié)構(gòu)和生物支架方面的巨大潛力。

圖4. 3D壞死打印的工藝窗口與打印的微觀結(jié)構(gòu)。 (A) 描繪Pluronic F-127生物墨水在不同墨水擠出速度與噴嘴移動速度組合下的預期擠出行為的圖表。右側(cè)的光學快照圖像直觀描述了所有三種打印狀態(tài)（良好擠出、擠出不足、過度擠出）及其對雌性蚊子口器分配尖端物理狀態(tài)的影響。比例尺為100微米。(B) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D蜂窩結(jié)構(gòu)。比例尺從左至右依次為：100, 200, 200, 200微米；頂部為100微米；底部為20微米。(C) 使用雌性蚊子口器分配尖端和Pluronic F-127打印的3D楓葉結(jié)構(gòu)。比例尺從左至右依次為：100, 200, 200, 200微米；頂部為100微米；底部為20微米。(D) 使用雌性蚊子口器分配尖端和懸浮有B16癌細胞的Pluronic F-127打印的3D網(wǎng)格支架。比例尺從左至右依次為：100, 200, 200, 200微米；頂部為100微米；底部為20微米。

總體而言，這項研究成功驗證了使用實驗室培育、未受感染的雌性蚊子口器作為高分辨率打印噴頭的可行性。它提供了一種低成本、環(huán)境可持續(xù)的替代方案，以應(yīng)對傳統(tǒng)微分配尖端在成本、制造和環(huán)保方面的挑戰(zhàn)。與另一種高分辨率選擇——拉制玻璃針尖相比，蚊子口器噴嘴在成本、生物降解性、抗振動性和生產(chǎn)一致性方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。盡管生物材料存在使用壽命限制，但適當儲存可使其保持功能數(shù)天甚至更久。展望未來，除了蚊子口器，自然界中其他生物微分配尖端（如獵蝽、床虱的口器等）也值得探索。這項工作不僅推動了生物混合制造領(lǐng)域的發(fā)展，也為將更多生物材料集成到先進制造流程中打開了全新視野。