蚊子口器變身為微米級 3D 列印神器
- 演化之聲
- 3月26日
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生源列印（3D necroprinting，原意是屍體列印）是利用已死亡的生物結構，直接拿來作為 3D 列印的元件。這種思維就不是單純從生物結構作為學習模仿，是將生物現有的部分直接與人工框架結合，納入工程製造流程，就比如雌蚊的口器。
噴嘴（dispense tip）這個元件無論是在生醫實驗、藥物輸送或是 3D 生物列印裡，液體的精準控制都依賴這個微小的管狀工具。但現代工業所使用的人工噴嘴，多半由金屬或塑膠製成，不僅價格昂貴，也難以分解，對環境造成長期負擔，而且當尺寸縮小到數十微米等級時，製造難度與成本會急劇上升，使門檻變得相當高。
與此形成鮮明對比的是，自然界早已存在大量精巧的微型流體輸送結構，例如昆蟲的口器、植物的木質部導管以及某些動物的毒針，都具備高度優化的幾何與材料特性。這些結構經過長時間演化，能在極小尺寸下完成流體輸送、穿刺與吸取等功能，且總是兼具強度與柔韌性。
其中雌蚊口器之所以特別，是在於其多層結構與功能整合。外層為下唇鞘（labium），內部則由多根細針狀結構組成，包含上唇（labrum）與咽喉道（hypopharynx）等，這些構件共同形成一條密閉且細長的流體通道。該通道的內徑約為 20 至 25 微米，遠小於多數商用噴嘴，同時又具備足夠的剛性與長度（約 2 公釐），可以在實際操作中穩定使用。
蚊子在吸血時，需要穿透皮膚、找到血管並吸取血液，這代表其口器不光要能承受機械壓力，還要能有效輸送具有非牛頓特性的流體。這些特性，使其在工程應用中具備天然優勢。研究團隊將這個生物結構整合進一套客製化的 3D 列印系統中，他們將蚊子的口器固定在傳統噴嘴的末端，形成一條連續的流體通道。
在實驗中，這種生物噴嘴成功完成了多種高解析度列印工作，包括蜂巢結構、楓葉圖樣，還有含細胞的生物支架。列印出的線寬可達約 18 至 28 微米，明顯優於一般商用噴嘴，甚至接近更昂貴且易碎的玻璃拉製微型管。
然而這項技術的挑戰在於如何穩定列印。蚊子口器在使用過程中會出現兩種受到破壞的模式，第一種來自出口堵塞，當液體材料具有剪切稀化（shear thinning）特性時，一離開出口就會變回較濃稠，堵在出口，壓力逐漸累積，最後把噴嘴撐破。第二種則與液體材料黏度有關，當流體過於黏稠時，系統需要更高壓力才能維持流動，最終使入口附近承受過大的應力而破裂。
透過壓力測試，量化了這個結構的機械極限，平均破裂壓力約為 60 kPa，而從應力分析推算，其材料在環向應力下的極限約為 708 kPa。雖然蚊子口器的強度遠低於金屬，但在適當操作條件下，仍足以應付微觀尺度列印需求。為了確保穩定列印，將液體材料擠出速度與噴嘴移動速度進行匹配。當擠出過快時，會導致過量堆積與堵塞；當擠出過慢時，則會產生斷裂的線條。理想狀態是兩者需維持在特定比例範圍內，才能形成均勻且連續的結構。
除了結構列印，這項技術在生醫領域也存在潛力，研究中使用含有癌細胞與紅血球的生物材料進行列印，其細胞存活率可達約 86%，代表這種生物噴嘴在剪切應力控制上具有良好表現。此外，其彈性結構也能降低對基材的損傷，使其在藥物輸送與組織工程中擁有應用的前景。
也當然，生物材料存在一些限制，壽命更短、保存條件敏感而且口器在不同個體存在差異等。經過測試，若在常溫下這些結構可維持約 9 天的功能，在低溫保存下則可延長至一年以上。這種策略如果將來能夠更加精進，就可降低成本，也減少對不可分解材料的依賴。
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作者：水也佑
參考文獻：
Choo YM et al. (2015). Multitasking roles of mosquito labrum in oviposition and blood feeding. Frontiers in Physiology.
Puma J et al. (2025). 3D necroprinting: Leveraging biotic material as the nozzle for 3D printing. Science Advances.
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