大家好，今天我们来探讨一篇关于液滴喷射在生物应用中相关知识的文章——《Understanding droplet jetting on varying substrate for biological applications》是发表于《International Journal of Bioprinting》。在生物打印领域，了解液滴在不同基材上的喷射行为至关重要。这篇文档深入研究了喷墨打印过程中液滴的形成、与基材的相互作用以及在生物应用中的具体情况。通过阅读，我们能更好地理解这一技术，为生物打印的发展和应用提供有益的参考。希望大家能从中获得启发，对液滴喷射有更深入的认识。
*本文只作阅读笔记分享*
一、引言
在生物应用中，有三种常见的材料加工技术用于生物打印工程组织，分别是材料挤出、材料喷射和光聚合打印（VPP）。材料喷射技术因其具有非接触式和按需滴落打印等优点，以及对沉积模式和材料体积的精确控制能力，而受到关注。本文旨在探讨喷墨打印过程中液滴在不同基材上的喷射行为及其在生物应用中的相关理解。
二、液滴形成
2.1 流体类型与液滴形成
用于喷墨生物打印的流体包括牛顿流体和非牛顿流体，具有合适流体特性的两者均可用于喷墨生物打印，且复合微胶囊也可开发使用。
例如，在研究液滴形成时，使用了雷诺数（Re）、韦伯数（We）和 Ohnesorge 数等参数来描述牛顿液体的液滴形成和喷射行为。
2.2 无量纲数与液滴稳定性
无量纲数Z（是 Ohnesorge 数的倒数）用于描述液滴形成过程中的稳定性，Z 值可以评估滴形成的稳定性。
例如，当Wej在2 < Wej < 25 范围内时，液滴可形成稳定的喷射，否则可能会产生卫星液滴等现象。
2.3 粘弹性与液滴形成
Deborah 数（De）描述流体的粘弹性，其取决于流体的Ohnesorge数。Weissenberg数（Wi）结合了流体的特征松弛时间来解释非牛顿流体的粘弹性行为。
例如，聚合物的弹性效应会显著影响细丝变薄、破裂时间和液滴速度，从而减少卫星液滴的形成，就像在生物墨水中，具有慢细丝伸长和长破裂时间的生物墨水会使液滴速度变慢。
2.4 硬件与液滴形成
气动系统用于微阀生物打印以打印更高粘度的材料，使得达到液滴形成所需的撕裂速度。
例如，在喷嘴无的激光诱导正向转移（LIFT）中，蒸汽泡动力学受表面张力和粘度等流变特性的影响，物质的粘度越高，其蒸发速率越慢，从而降低了射流速度。
三、液滴-基材相互作用
3.1 液滴撞击穿透性基材
Neumann定律与表面张力：Neumann定律确定了液体表面液滴与准静态或稳态下液滴之间的接触角，液滴和池之间的表面张力相对差异决定了流型和力的方向。例如，当液滴的表面张力大于池的表面张力时，表面流向内驱动，液滴深入注入池内；当表面张力较低时，液滴在池表面扩散；当表面张力相同时，液滴可能穿透池。
液滴在液体表面的行为：液滴撞击另一个液体表面可能导致漂浮、反弹、合并或飞溅。例如，Park等人将含有细胞的液滴注入含有细胞培养基的孔中，观察到细胞沉入底部并附着在液体填充的基材上。
水凝胶与液滴的相互作用：在组织工程和生物打印中，水凝胶常被用作细胞的载体或基质材料，但水在水凝胶表面的接触角非零。例如，Kajiya 等人观察到液滴与水凝胶表面的接触线会发展出固定和后退的状态。
液体射流与viscoelastic底物：研究使用固体球体撞击如硅胶、铜基板和钢等viscoelastic 底物来探究其影响，液体射流穿透 viscoelastic 底物的主要决定因素是射流速度是否超过临界值。例如，Park等人研究了射流注射的过程，包括射流撞击、流入皮肤和在皮肤下分散三个阶段。
各种能量源与射流速度：激光类型、激光能量脉冲和毛细管宽度都会影响光学喷射系统的射流功率和速度，机械和机电输入也被探索作为喷射的能量来源。例如，连续波激光的射流速度在20-100 m/s范围内，而脉冲激光的射流速度更高，在100-300 m/s之间；喷墨技术的液滴速度则相对较低，取决于墨水组成和驱动系统，通常在1-20 m/s之间。
3.2 液滴撞击非穿透性基材
高速液滴撞击现象：高速液滴撞击固体基材时会经历快速扩散、起飞和飞溅碎片化三个阶段。
韦伯数与液滴撞击行为：韦伯数可以描述液滴撞击的行为，高速大直径液滴的韦伯数通常较高，意味着惯性力大于毛细管力。例如，当We < 5时，低速度液滴通常在撞击时附着在基材上；而 5 < We < 10 时，液滴通常会从光滑疏水的基材上反弹。
液滴在基材上的扩散与收缩：当液滴撞击表面时没有飞溅或反弹，它会扩散直到达到最大半径，然后可能会从最大半径后退形成较小的液滴或保持半径不变，这取决于基材的表面性质。
非穿透性液滴的接触线与基材弹性：撞击后，非穿透性液滴的接触线由杨氏定律描述，撞击液滴在非穿透性粘弹性基材上的扩散和收缩行为取决于基材的弹性。例如，许多天然和合成生物材料如PDMS表面的动态润湿性会影响静置液滴的阻尼系数。
即时飞溅现象与飞溅参数：当液滴的惯性力克服表面的毛细管效应时会发生即时飞溅，这可以通过 “飞溅参数”简化和预测。例如，在不同的研究中，针对不同条件下的飞溅参数值进行了探讨，如Cossali等人建议 Kc = 649 + 3.76R（R 为无量纲粗糙度）等。
3.3 基材的异质液滴图案
异质润湿性与液滴行为：研究人员正在研究液滴在具有异质润湿性的表面上的撞击行为，通过化学改变和物理工程创建异质润湿性，导致表面粘附力的不均匀性。在具有异质润湿性的基材上，液滴会经历不对称的扩散、收缩、分离和迁移阶段。
液滴在不同表面上的轨迹：对于具有润湿性差异的可穿透表面，液滴的行为有所不同，其反弹轨迹由表面上的回弹和向凹槽内的穿透竞争决定。例如，Zhang 等人的研究展示了液滴在具有润湿性梯度的可穿透表面上可以向两个方向移动。
四、喷墨在生物应用中的应用
生物材料的空间控制：喷墨打印系统可以对细胞、生物材料和生物因子等生物材料的空间进行控制，调节表面的界面特性，为生化和生物物理研究创建平台。
细胞微阵列与药物筛选：喷射材料的液滴大小会影响每个打印点的细胞数量，可用于创建具有受控细胞密度的细胞微阵列。例如，Park等人利用喷墨打印的像素化功能，展示了在高通量药物筛选和设计复杂组织结构方面的潜在应用。
细胞-材料相互作用研究：设计具有生化和机械梯度的生物材料对于研究细胞-材料相互作用非常重要，一个研究这种相互作用的平台应该能够以可重复的方式再现这种异质性。例如，Phillippi使用喷墨技术控制生化线索的分布，诱导干细胞的多谱系分化。
提高打印构建体的形状保真度：研究人员开发了打印策略来提高喷墨打印构建体的形状保真度，如使用含有交联剂的支持浴或通过整合多种制造方法（即混合生物打印）来创建多隔室和多细胞结构。例如，在Yoon等人的工作中，通过在每次打印层之前喷涂交联剂，使用含有海藻酸盐的改性明胶基生物墨水与氯化钙反应，形成了3D层压结构。
五、结论
对于生物打印中载细胞聚合物系统等非牛顿材料，我们对基材-材料相互作用的理解有限。对于载细胞水凝胶，了解喷射液滴与不同接收基材的相互作用对于理解喷射过程的撞击阶段至关重要。混合生物打印的概念通过结合多种制造过程，提高了生物打印构建体的结构完整性和生物学功能。整合不同制造技术的关键在于理解材料相互作用，以利用每个生物制造过程的独特优势，并为生物打印构建体引入更多的形式和功能。
参考文献：
Lee JM, et al. Understanding droplet jetting on varying substrate for biological applications. Int J Bioprint. 2023 May 23;9(5):758.
