首个3D打印仿生舌头表面！

来源：材料科学前沿

舌头表面的口腔摩擦在食物运输，语音，感知和享乐反应的机制中起着关键作用。人类舌头的高度专业化的生物物理特征，如微乳头密集的拓扑结构，最佳的润湿性和可变形性，在设计人造舌头表面时面临着结构上的挑战，而缺乏这种仿生表面阻碍了对舌头-食物/流体相互作用的基本理解。该研究的主要作者Efren Andablo-Reyes博士在利兹食品科学与营养学院担任博士后时进行了这项研究。他说：“重建一个普通人类舌头的表面带来了独特的构筑挑战。数百个被称为乳头的泡状结构赋予了舌头特有的粗糙纹理，结合组织的柔软本质，从机械角度创造出复杂的景观”。

最近，由利兹大学与爱丁堡大学合作，Anwesha Sarkar教授为通讯作者，首次3D打印出像人类舌头一样质地的合成软表面。这一壮举为测试食品的口腔加工性能、营养技术、制药和治疗口腔疾病的疗法提供了新的可能性。研究人员使用合成硅胶结构打印表面，模仿舌头表面的拓扑结构、弹性和润湿性。该论文以“3D Biomimetic Tongue-Emulating Surfaces for Tribological Applications”为题，发表在ACS Applied Materials＆Interfaces。人类舌头地形特征的仿生学：3D打印负模，铸造出仿生舌头

为了模拟建筑上复杂的人类舌头的表面几何结构，首先对15名成年志愿者的舌头表面进行了硅胶印记。图1a，b示出了分别使用疏水性（聚乙烯基硅氧烷）和亲水性（藻酸盐）聚合物生产的属于相同参与者的真实人舌的口罩的3D光学扫描的负片。为了清楚地了解乳头状分布，图1c显示了从图1a所示的疏水性阴性面罩浇铸的聚二甲基硅氧烷中获得的同一舌头的阳性面罩的光学扫描。在图1c中，可以清楚地看到由丝状和真菌状乳头同时存在的微结构表面引起的舌头表面粗糙，这可以通过它们的高分化形状清楚地区分。图1d，e显示了从扫描点数据集绘制的与实际3D舌形表面紧密配合的镶嵌三角形的网格。图1d显示真菌状乳头具有圆顶或蘑菇状的形状，并被许多丝状乳头包围。

图1使用聚合物印模表征人的舌头表面。 使用（a）疏水性（聚乙烯基硅氧烷）和（b）亲水性（藻酸盐）材料对舌头进行负3D光学扫描，其中乳头可见为圆孔。（c）使用面板a中所示的疏水性印模获得的人舌的聚二甲基硅氧烷（PDMS）掩模获得的正3D光学图像。 （d）软光刻技术，显示真菌状乳突的缩放图像及其特征性的圆顶形状（e）丝状乳突为冠状的柱状骨料。（f）疏水和（g）亲水印象，显示了高度分布。

为了确认使用3D打印和复制模制获得的仿生品是否已实现高保真度和清晰度，硅胶表面Ecohbprint的3D光学扫描俯视图，即以Ecoflex 00-30为高分子材料，通过复制模压工艺3D打印母材创建的表面，如图2所示。扫描的图像显示出与表面上的真菌状乳头相比密度更大的丝状乳头在表面上随机分布的乳头。

图2 .仿生舌状表面的地形设计。（a）使用Poisson点法生成的地形设计，其中圆顶形状和圆柱体是随机排列的，分别模仿了真菌形和丝状乳头状，使用数字光处理技术进行3D打印。 （b）使用图（a）所示的3D打印模具的软光刻工艺，对在软Ecoflex 00-30中铸造的仿生舌状表面进行3D光学扫描的正面印象。 使用从3D光学扫描获得的点数据集的Screened Poisson表面重建，可以在柔软的Ecoflex 00-30仿生舌状表面内生成单个（c）真菌形和（d）丝状乳头的三角网格。

3D打印舌头生物功能：可模拟真实的口腔接触压力

为了产生可变形的柔软舌头状表面，采用了不同的硅树脂表面，并进行了简单的压缩测试（图3a）。独特的是，无论是否添加表面活性剂，Ecoflex 00-30表面的杨氏模量分别约为130.0和120.0 kPa，即与PDMS表面（约2.4 MPa）相比，其杨氏模量低1个数量级。作为口腔摩擦学表面的最新技术。将Span 80作为表面活性剂添加到这些柔软的弹性体（Ecoflex 00-30）中并没有显着改变机械性能（图3a）。考虑到柔软的舌tongue接触中产生的最大压力约为50.0 kPa，希望较当前的最新技术而言，较软的Ecoflex 00-30将会有实质性的改进，在机械接触过程中赋予力更真实的分布。

图3 舌面罩和3D打印的舌状聚合物表面的材料性能比较。（a）PDMS的杨氏模量（黑色正方形，E = 2.4 MPa），Ecoflex 00-30（绿色向上的三角形，E = 0.13 MPa）和Ecoflex 00-30 +跨度80（0.5 wt％）（蓝色向下的三角形，E＝ 0.12MPa），后者用于制造仿生舌，即Ecohlprint。红色实线表示与线性状态的拟合，其中斜率表示聚合材料的杨氏模量。（b）使用舌罩和3D打印的微模母版制作的有机硅表面的润湿性。

总结：在这项研究中设计了3D打印的表面，以模拟普通人舌的拓扑特征，粗糙度以及机械（弹性）和化学（润湿性）特性，目的是精确测量口腔摩擦学特性。使用3D打印和软光刻技术，设计了这种仿生表面，该表面包含随机分布的真菌状和丝状乳头状凹凸不平。仿生实验结果表明，该表面的杨氏模量约为100.0 kPa，水/空气/固体接触角约为76°，非常类似于人舌表面的自然解剖结构。“最终，我们希望我们设计的表面能够对理解舌头的生物力学如何支撑人类进食和语言的基本原理具有重要意义，”这项研究的主要作者、利兹大学的Anwesha Sarkar教授说。