来源：EngineeringForLife
传统3D打印微喷嘴多由金属、塑料等不可降解材料制成，存在成本高、环境负担重等问题，而自然界中生物结构（如昆虫口器）具备精细结构和优异性能，为新型喷嘴研发提供了灵感，生物混合工程的发展也为生物材料融入制造系统奠定了基础。
但谁能想到！夏日里让人避之不及的蚊子，竟摇身一变成为3D打印界的“黑科技担当”？最近发表在《Science
Advances》上的一项研究，彻底颠覆了我们对蚊子的认知——来自美国麦吉尔大学Cao Changhong/Li
Jianyu团队脑洞大开，把雌性蚊子的口器（喙）改造成了超高精度3D打印喷嘴，发明出名为“3D
necroprinting”的生物混合制造技术。这枚来自大自然的“天然喷嘴”，凭借进化而来的精妙结构，打印线宽能精细到20微米，比市售高端喷嘴还要精准一倍，还能轻松承受60kPa的内部压力，稳稳挤出各类打印材料。从复杂的蜂窝结构、逼真的枫叶造型，到包裹着癌细胞和红细胞的生物支架，这只“蚊子工程师”用实力证明：大自然的鬼斧神工，才是最牛的创新灵感库！
相关研究成果以“3D necroprinting: Leveraging biotic material as the nozzle for 3D printing”为题于2025年11月19日发表在《Science Advances》上。
【生物微喷射头的筛选】
为探究适用于高分辨率喷射应用的生物微喷射结构，研究团队先对自然界中各类具备流体输送功能的微喷射类结构展开全面调研与分类，将其分为流体沉积型（如蜜蜂蜇针、蛇毒牙等）和流体汲取型（如植物木质部导管、昆虫口器等），并通过分析曲率、长度、直径、刚度等关键参数筛选候选者（图1A）；结合长度-曲率分布图（图1B）进一步锁定蚊子、猎蝽等昆虫的口器为潜在对象，其中雌性埃及伊蚊口器因具备近乎零曲率的笔直形态、20-25
μm的细小内径、 2 mm的易操作长度、200 MPa的类塑料刚度及约708
kPa的机械强度，且来源广泛、易于培养，成为最优候选；随后通过参数分析轮（图1C）对照直接墨水书写（DIW）喷嘴的核心要求，验证了其作为生物微喷射结构的可行性，其由下唇构成外壳、口针束形成中空密封通道的核心-壳层解剖结构，也为高效流体输送提供了保障。
【3D打印技术的设计】
为实现生物微喷射结构在3D打印中的应用，研究团队研发了一款定制化直接墨水书写（DIW）3D打印机，该设备配备高分辨率运动平台以适配生物微喷嘴安装，同时搭载活塞驱动式挤出机，可实现微米级喷射精度，并通过Arduino微控制器与直流信号开关实现挤出机与运动平台的同步控制（图2A）；初步设计阶段采用幂律模型构建理论工艺窗口，再经COMSOL仿真验证其有效性，随后借助鲁尔锁机制将雌性蚊子口器直接粘接在工程喷嘴出口，构建从注射器到生物喷嘴的连续流体通道，也可通过定制化可重复使用适配器直接对接注射器与生物喷嘴以减少对工程喷嘴的依赖（图2B）；实验中成功将雌性蚊子口器安装于打印机并完成Cellink
Start生物墨水的稳定挤出演示，直观证明了该生物混合打印系统的可行性（图2C、图2D）。
【力学失效特性表征与分析】
为明确雌性蚊子口器作为喷嘴在3D打印过程中的力学失效行为及影响因素，作者首先通过挤出Cellink Start、Pluronic
F-127等常用生物墨水，发现其存在两种主要失效模式：喷嘴出口处因堵塞引发超压导致的轴向开裂（类型1失效）（图3A），以及因墨水粘度高、流动需求引发整体超压导致的入口附近破裂（类型2失效）（图3B）。随后，作者搭建定制化爆破压力测试装置，将密封后的蚊子口器作为承压容器，通过缓慢施加压力测得其平均破裂压力约为59.7
kPa（图3C-E）。基于蚊子口器内径远超壁厚10倍的结构特征，采用薄壁压力容器模型分析其失效应力状态，计算得出破裂时周向应力约708
kPa，证实周向主应力主导失效过程（图3F）；进一步结合赫歇尔-巴尔克利模型等理论分析，揭示类型1失效是因出口墨水失去剪切应力固化堵塞、导致局部压力升高（图3G），类型2失效则是高粘度墨水所需背压超过口器强度极限（图3H）；最后通过建立墨水流变参数（稠度系数、流动行为指数）与最大允许挤出速度的关联，生成操作指南，为避免打印过程中喷嘴破裂提供量化依据（图3I）。
【3D打印技术的工艺窗口与打印性能】
作者首先围绕避免蚊子口器喷嘴断裂及保证打印质量的核心需求，强调需平衡墨水挤出速度与喷嘴移动速度（即拉伸比），并以常用的40%（质量体积比）Pluronic
F-127剪切变稀墨水为研究对象开展参数研究，明确了三种打印状态的边界：当拉伸比大于1时会出现过挤出，表现为打印线条不均且常伴随口器的1型失效（喷嘴堵塞导致的过压断裂）；当拉伸比在0.25至1之间时为良好挤出，能形成连续均匀、线宽接近蚊子口器内径（20-30
μm）的打印线条；当拉伸比小于0.25时则会因墨水过度拉伸出现断丝的欠挤出情况（图4A）。在此工艺窗口指导下，该技术实现了约20
μm的打印分辨率，优于商用34G喷嘴（约50 μm），甚至超过价格高昂的36G喷嘴（约40 μm）。
为进一步验证性能，研究通过打印多种高精度结构展示其形状保真度：包括尺寸约600×600×310 μm、线宽约22
μm的蜂窝结构（图4B），尺寸约900×870×310 μm、线宽约18 μm的枫叶结构（图4C），以及线宽28
μm、包裹B16癌细胞的600×600×310
μm网格支架（图4D），其中细胞支架打印后细胞存活率达86.1%±2.1%，证明该技术在微观尺度生物应用中的潜力；进一步，作者还探讨了蚊子口器在高分辨率药物递送中的潜力，以及表面缺陷对墨水流动影响的模拟分析，最终综合这些结果凸显了生物微喷嘴在直接墨水书写3D打印中高分辨率、高保真度与易实施性的优势。
综上，本文成功将雌性蚊子口器作为直接墨水书写（DIW）打印的生物喷嘴，通过对生物微喷嘴的系统评估确认其具备足够的机械强度和抗断裂能力，并建立了相应的操作工艺窗口；接着对比了该技术与现有喷嘴的性能，指出其18-28
μm的打印分辨率优于商用34G（约50 μm）和36G（约35 μm）喷嘴，虽玻璃拉制喷嘴分辨率（<1
μm）更优，但蚊子口器在抗脆性、一致性、生物降解性和成本（单个约0.8美元，远低于玻璃拉制喷嘴的26美元）上更具优势。
同时，该研究团队提出未来研究方向，包括考虑不同物种、性别、年龄等生物变量对喷嘴性能的影响，以及明确极端环境条件对蚊子口器喷嘴的影响边界；还提及了蚊子口器的储存寿命（常温下至少9天，-20°C下可保存一年）和环境适应性（20-30°C、30%-70%相对湿度下性能稳定）；最后强调该研究验证了实验室培养的无毒蚊子口器作为高分辨率打印喷嘴的可行性，为低成本、环保的生物混合制造提供了新思路，并指出其他生物微喷嘴也有探索潜力，有望推动生物材料在先进制造中的应用。
参考资料：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9953
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