这种被称为 3D 死灵打印的可持续系统可以高分辨率地打印极其复杂的结构。
蚊子或许是世界上最令人厌恶的生物之一。它们叮咬不仅让人瘙痒难耐，还传播疾病，每年在全球范围内造成近60万人死亡——这使它们成为最致命的动物。
然而，它们已经繁衍生息了数百万年，部分原因在于雌性高效的“毒刺”。这种被称为吻部的器官，其坚硬的特性使其能够非常精准地穿透皮肤进入血液，但它微小的尺寸和结构却不会让宿主察觉到它的存在，直到为时已晚。
这些优势引起了麦吉尔大学生物工程师曹长虹的注意。受蚊子的启发，他和他的团队开发了一种高分辨率3D打印机，使用蚊子的口器作为喷嘴。这套被称为“死灵打印”的系统，打印出的线条宽度只有市售打印机的一半。在测试中，它使用生物墨水可靠地完成了多种复杂的3D结构，包括蜂窝状结构、枫叶状结构以及包裹癌细胞和红细胞的华夫饼状结构。
图片来源：Puma 等人，《科学进展》11，eadw9953。
作者写道：“利用未感染的、实验室培养的、已死亡的生物体的分配结构，为工程应用开辟了一条新途径，这不仅降低了高分辨率分配头生产的成本，而且最大限度地减少了对环境的影响。”
来自进化论的启示
工程师们长期以来都从大自然中汲取灵感。
早期的成功依赖于模仿，例如受荷叶启发而设计的自清洁表面，以及源自牛蒡刺的著名魔术贴钩环结构。而最近的创新则将柔软、灵活的生物材料和活细胞与塑料相结合，制成能够感知、修复和适应环境的生物混合机器人。
另一种趋势，或许更令人毛骨悚然，是利用动物解剖结构的复杂性。泥鳗、马达加斯加嘶嘶蟑螂和甲虫的腿已被用于制造生物混合设备，以监测健康状况和环境。例如， Necrobots将蜘蛛腿改造为微型抓取器，激活后，这些腿可以伸展，并以类似爪子的运动恢复到自然状态。这种抓取器可以抓取形状各异的物体，最大重量可达自身重量的 130%，为传统的抓取器提供了一种低成本、高效且可生物降解的替代方案。
虽然生物混合系统主要集中在机器人和传感领域，但曹的团队却有不同的想法：在制造过程中使用动物材料，而不是在最终产品中使用。
喷嘴是一个理想的选择。首先，它们广泛应用于3D打印和实验室。类似的液体分配针头目前由不可生物降解的材料制成，例如金属和塑料，仅美国每年就消耗超过40亿个。
它们也很昂贵，尤其是高分辨率的打印头。市面上最好的金属打印头内径约为35微米——大致相当于单个人类皮肤细胞的大小。每个打印头超过80美元的高昂价格限制了这项技术的应用。
自然选择
曹的研究团队首先对动物的肢体进行了广泛的调查，以此作为寻找天然打印头的起点。
其中包括蝎子的毒刺、蛇的毒牙、芋螺的鱼叉以及各种致命昆虫的爪子。每一种都有其独特的形状、长度和内径，这些都针对动物本身进行了优化——但未必适合打印机喷嘴。
理想的喷嘴应该像针一样笔直，并具有较高的刚度以在流体流动时保持形状。较小的内径对于高打印分辨率也至关重要，喷嘴长度应易于操作但又不宜过长，因为过长会导致压力积聚和喷嘴失效。
在研究过程中，雌蚊的口器脱颖而出。其生物聚合物核心有助于保持笔直的结构，类似于微针，使液体能够顺利流过。此外，该器官的直径仅为20微米，比市售的针头还要细小，硬度也与普通塑料相仿。
蚊子的口器此前曾启发人们研发用于癌症活检的微针，以最大程度地减少对周围组织的损伤。这些微针采用的是人造材料。而这项新研究则直接利用实验室养殖蚊子的口器，将其应用于3D打印装置中。
可持续打印机
为了获取蚊子的口器，研究团队先将冷冻的、实验室饲养的雌蚊浸泡在酒精中进行消毒，然后再取出口器。之后，他们设计了一种定制的适配器，将口器连接到一个金属尖端，该尖端连接着一个机械挤出器，用于调节液体的流量。
树脂密封了商用和生物用分配头之间的缝隙，以防止泄漏。这款定制的3D生物打印机配备一个垂直臂，用于上下升降喷嘴，底部还有一个水平移动的“平台”，用作打印画布。
测试中，研究团队发现，这种“死灵打印机”通常可以处理用于生物打印的商用墨水，但如果液体流速过快，其触须就会撕裂。与微型吸管类似，如果墨水堵塞底部并导致底部破裂，该系统也会失效。平衡喷嘴喷墨速度和喷嘴移动速度需要进行校准。
研究团队写道，这些力量的不平衡导致压力积聚，“最终导致墨汁喷涌而出或蚊子喙发生灾难性破裂”。
但一旦参数调整完毕，这台“死灵打印机”就能精准且稳定地运行。它能轻松打印出宽度约为20微米的线条，性能优于目前最先进的喷嘴。它还能精确打印出蜂窝和枫叶等更复杂的形状。
作者写道，这些微观结构超越了标准金属和塑料点胶针的分辨率能力。
第三项演示使用了含有癌细胞或红细胞的生物墨水。这种“死细胞打印机”生成了富含细胞的结构，这些细胞仍然保持活性和健康状态。最后，该打印头在高分辨率药物输送方面展现出巨大潜力。它装载了水凝胶，能够以极低的体积将药物沉积到猪皮中，模拟治疗性药物输送过程。
与工程化的3D打印头相比，蚊子的口器在内径和壁厚方面具有高度一致性，而且成本非常低廉。据研究团队称，饲养一只蚊子的成本仅为两美分，而组装一个用于“死灵打印”的分配器也只需不到一美元。
然而，由于喷嘴尖端含有生物组织，其使用寿命可能不如塑料部件。初步测试发现，它们在室温下可保存约九天，在冷冻条件下至少可保存一年。这些喷嘴的工作温度也适宜蚊子生存（大约20至30摄氏度或70至85华氏度），但温度的剧烈变化会导致灾难性故障。目前，研究团队正在绘制温度范围图。
尽管可能存在一些障碍，但该系统展现了将生物材料整合到先进制造中的前景。
这篇题为“超精密 3D 打印机使用蚊子针状口器作为喷嘴”的文章最初发表在SingularityHub上。