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他们要来10000只死蚊子,把它们的嘴做成了3D打印喷头

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如果有一天,你收到了一个鼓鼓囊囊的快递包裹,打开后发现里面静静躺着一万只死掉的、黑压压的蚊子,你会报警还是直接扔垃圾桶?

我的一个朋友大概会无比兴奋,因为他酷爱收集蚊子尸体:每只他亲手打死的蚊子,都会被当作“战利品”,用透明胶粘进一个专门的小本本。

不过,如果这份“大礼包”的收件人是某些科学家,故事的走向将截然不同。加拿大麦吉尔大学的曹长宏和李剑宇收到这些蚊子后,取下了它们的口器,做成了3D打印喷嘴。这种喷嘴不仅便宜耐用,还能打印出极其精细的结构。

论文11月19日发表于《科学·进展》(Science Advances)期刊上。

脑洞从一只“躺平”的死蜘蛛开始

一切还要从一项曾获2023年搞笑诺贝尔奖的研究说起。

几年前,美国莱斯大学的研究生Te Faye Yap在实验室走廊里偶然发现了一只死蜘蛛。她注意到,这只蜘蛛的腿紧紧向内蜷缩着。原来,蜘蛛腿的伸展运动依靠其体内的液压系统。一旦蜘蛛死亡,压力消失,蜘蛛腿便会自然收拢。这个看似平常的现象,却让Yap产生了一个大胆的想法:能否将蜘蛛尸体改造成机械抓手

Yap将蜘蛛尸体与外部的液压系统连通,通过加减压来驱动死蜘蛛的腿开合。她发现,这种抓手不仅能提起相当于自身重量1.3倍、体积2.6倍的物体,并且能经久耐用地开合超过700次!研究团队给这种技术起了一个有些毛骨悚然的名字——“死体机器人学”(necrobotics)


蜘蛛改造成的机械抓手丨Te Faye Yap and coauthors

这项研究引起了曹长宏和李剑宇的兴趣。多年来,曹长宏专注于纳米制造领域,而李剑宇则专注于生物材料的力学研究。于是他们开始思考:既然死蜘蛛能做成抓手,那么自然界中是否还有生物器官能直接用于机械制造


上图最左侧为李剑宇,他是组织修复与再生方向加拿大首席科学家;最右侧是曹长宏,他是小尺度材料及制造方向加拿大首席科学家;中间是Justin Puma,是他俩的硕士研究生|受访者供图

很快,他们将目光锁定在了生物体那些细小而坚韧的管状结构上,例如植物用于输水的木质部导管,蝎子与毒蛇的毒刺和毒牙,以及蚊子等昆虫的取食口器。这些经过亿万年演化的精密结构,或许正是高精度3D打印喷嘴的天然雏形。

在众多天然的微型管状结构中,蚊子口器最终脱颖而出。首先,它结构笔直,管道不会在3D打印墨水流经时发生形变。其次,蚊子口器的内径只有大约20微米。要知道,市面上能找到的最细的塑料喷嘴,内径也高达150微米;而金属喷嘴虽然能到35微米,可一个的售价就高达80美元。相比之下,蚊子口器不仅更精细,成本也几乎可以忽略不计。

一万只死蚊子的故事

锁定了研究目标,曹长宏和李剑宇却很快遭遇了第一个现实难题——研究用的蚊子从哪儿来

说起找蚊子的经历时,李剑宇不禁叹了口气。起初,他们联系了蒙特利尔当地的昆虫馆和博物馆,想看看能否获得一些蚊子样品。后来,他们又开始尝试联系从事蚊虫研究的科学家。

正当他们为此发愁时,美国德雷克塞尔大学研究蚊子行为的助理教授出手相助,解决了他们的燃眉之急。曹长宏回忆道,他曾试探性地询问买几百只蚊子大概需要多少钱。可对方的答复令他大吃一惊:蚊子倒是不要钱,但最少也得寄一万只


埃及伊蚊(Aedes Aegypti)丨wikipedia.org

原来,对于研究蚊子的科学家而言,这些实验后产生的蚊子尸体是必须处理的生物危害废弃物,更像是一种负担,有人愿意“收垃圾”简直雪中送炭。就这样,一大批雌性埃及伊蚊(Aedes Aegypti)尸体,冻存进了李剑宇实验室的冰箱里。

曹长宏笑着说道:“一旦找到合适的合作者,蚊子的来源就再也不是问题了。”

蚊子嘴巴真皮实

解决来源问题后,曹长宏和李剑宇的硕士研究生Justin Puma亲自动手、从零组装了一台“蚊子嘴 3D 打印机”:零件自己买、结构自己搭、程序自己写。

接下来,他们便开始测试蚊子口器的力学性能。李剑宇感叹道:“我原以为蚊子这么重要的物种,应该有很多关于它口器的生物力学研究,结果没想到竟寥寥无几。”

他们惊喜地发现,蚊子口器能承受高达60kPa的内部压力,足以应对3D打印过程中挤出墨水的需求。不过,如果继续加压,蚊子口器就会沿着它最薄弱的区域裂开。李剑宇解释道:“蚊子口器有点像用一张纸卷成的纸筒,中间有一道接缝,那里是它的薄弱区域,但好在我们可以通过调节打印参数来避免它开裂。”

3D打印墨水属于剪切变稀流体,即流速越快、黏度越低。因此,只要控制液体的流速和喷嘴的位移速度,使墨水不会滞留在喷口处,就能杜绝喷嘴内出现过高的压力。

曹长宏打了一个形象的比方:“这就像高速公路上汇入的车流。如果一辆车还没来得及开走,又来了另一辆车,道路就会堵住。但只要选择合适的墨水,控制好参数,让每一辆车都及时开走,就不会有堵车的问题。”如果希望蚊子口器能承受更高的压力,未来也可以在其外部镀上一层金属或其他材料,从而增加喷嘴整体的结构强度。


(C)雌性蚊子的口器被安装在定制的3D DIW打印机上;(D)口器针头挤出Cellink Start凝胶(一种3D打印生物墨水)丨参考资料1

除了承压能力,他们还系统测试了蚊子口器的使用寿命。结果显示,只要打印参数控制得当,一个蚊子口器喷嘴可以连续工作至少14天!而且,即便将蚊子口器冷冻整整一年,它作为3D打印喷嘴的性能也丝毫不受影响。

李剑宇解释道:“蚊子口器的主要成分是几丁质。与那些富含水分的细胞组织不同,几丁质的含水量很低,因此在冷冻时,它不会因为冰晶的形成而破坏结构,所以可以耐受长时间的冷冻存储。”

曹长宏同样称赞了蚊子口器的“皮实”程度,他对比了蚊子口器和玻璃制成的喷嘴:“的确,玻璃可以制造出内径只有一微米甚至几百纳米的打印喷嘴,但它实在太脆弱了。如果我把它放在面前,对着它说话,它直接就会被震碎。但蚊子口器就不同了,对它大喊都没有问题!”

便宜又环保,未来的用处可不止3D打印

除了精度高且经久耐用之外,使用蚊子口器作为3D打印喷嘴还有一个显而易见的优势——便宜

按照研究团队的测算,一名经过培训的技术人员大约10分钟就能用蚊子口器组装出一个喷嘴。而把一名零基础的新手培训成熟练工,也只需要一个月左右。照此推算,如果雇佣200名熟练工人,时薪3.1美元,每天工作8小时,那么一天就能生产出9600个喷嘴,单只喷嘴的生产成本仅0.52美元。相比于塑料、金属甚至玻璃喷嘴,这实在是太便宜了。

而在性能方面,李剑宇指出,他们已经实现了10微米量级的打印精度。这一精度在生物打印领域意义重大,因为它与人体毛细血管的直径相当。如果科学家需要3D打印仿毛细血管的微型结构,那么打印喷嘴必须达到这种精度,而蚊子口器已经拥有了这种能力。

当然,受限于口器所能承受的压力上限,用它进行3D打印的速度并不算太快。但曹长宏认为,对于微纳制造而言,最关键的始终是打印精度。而且,想要提速也非常简单:只需增加喷嘴数量同时打印即可,毕竟这种喷嘴非常便宜,多部署一些也完全不成问题。


(B) 使用蚊子口器打印的3D蜂窝结构; (C) 使用蚊子口器打印的3D枫叶结构; (D) 使用蚊子口器打印的3D网格支架丨参考资料1

事实上,蚊子口器的巨大潜力并非仅限于3D打印领域。它们未来也可能作为生物医药中的一次性耗材,替代目前广泛使用的金属针头等材料。由于蚊子口器成本极低,而且可完全降解,因此不会带来环境负担,也不存在针头重复使用所引发的安全隐患。

在命名这项技术时,曹长宏借用了“死体机器人学”的名称,将其称为“necroprinting”。不过,他并不喜欢“死亡打印”“死灵打印”等略显诡异的译法。对李剑宇而言,这项研究真正的核心也不是蚊子尸体,而是如何把生物结构以一种工程化的方式重新利用。

因此,不妨还是称这项技术为“生源打印”吧。毕竟,无论是蜘蛛腿还是蚊子口器,它们都不仅仅是尸体上的零部件,更是亿万年生命演化的产物。人类工程正在重新审视这些自然界中被忽略的微小结构,而未来的工程制造,或许也将由科学家与大自然共同创造。

参考文献

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9953

[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174

作者:黄雨佳

编辑:黎小球、odette

封面图:gigazine.net


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