《Biomimetics》：Inkjet and Related Printing Technologies for Plant Systems: From Physiological Monitoring to Functional Biofabrication
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喷墨及相关打印技术凭借非接触、高精度及多材料沉积等特性，为植物系统提供了一种全新的技术途径。然而，植物组织的空间异质性、持续生长特性及对外界扰动的敏感性，使得常规方法难以精准靶向活体器官上的特定位点。本综述系统评估了热喷墨打印（thermal inkjet p
喷墨及相关打印技术凭借非接触、高精度及多材料沉积等特性，为植物系统提供了一种全新的技术途径。然而，植物组织的空间异质性、持续生长特性及对外界扰动的敏感性，使得常规方法难以精准靶向活体器官上的特定位点。本综述系统评估了热喷墨打印（thermal inkjet printing）、压电喷墨打印（piezoelectric inkjet printing）、气溶胶喷射打印（aerosol jet printing, AJP）及电流体动力学打印（electrohydrodynamic printing, EHD）在植物领域的应用，并将打印头的喷射行为与液滴在植物表面的界面过程相关联。从有效特征尺寸（effective feature size）、器官尺度通量（organ-scale throughput）、潜在生物学损伤及打印墨水与植物的生理相容性四个维度评估了实际性能。随后，将应用归纳为包含监测（monitoring）、递送（delivery）、传感（sensing）、生物制造（biofabrication）及智能系统（intelligent systems）五个层级的框架体系。具体而言，近期研究已证明上述打印方法可用于植物器官的表面标记与生长追踪、农业投入物的局部精准递送、柔性传感器的制备以及活体材料（如植物细胞）的构建。结合人工智能技术，这些能力有望形成从感知到反馈的闭环系统，以打印作为精准执行器，推动植物管理从被动观测向主动调控转变。最后，本综述探讨了活体界面动态性、墨水生物相容性、多尺度集成及数据智能等挑战，并展望了上述技术在可编程植物（programmable plants）及活体农业界面（living agricultural interfaces）方面的应用前景。通过连接打印技术、植物系统与功能性生物制造，本综述提供了一个统一框架，以指导智能化和可持续农业系统的发展。
1. 引言
植物系统长期是生命科学与农业研究的核心对象。与玻璃、硅片或聚合物薄膜等传统工程基底不同，植物并非均匀、静态的支撑表面，而是具有空间异质性、持续生长及显著扰动敏感性的生命系统。同一植株的不同器官，甚至单片叶片的不同区域，在水含量、代谢状态及胁迫响应方面均可能存在显著差异。传统全株喷施、浸没处理及粗放剂量给药难以精准作用于特定组织、细胞群或局部区域，而机械穿刺、显微注射、电极植入及大面积化学处理则可能诱发损伤、伤口胁迫或防御响应，从而改变所研究的生理状态。此外，气孔开闭、离子流、代谢物波动及挥发性物质释放均呈现独特的时间动态，破坏性采样或离线检测无法连续且忠实地记录这些过程。因此，植物科学与精准农业需要一种同时具备高空间分辨率、低扰动性、局部可寻址性及实时反馈能力的操作模式。从仿生视角来看，植物可被视为动态活体界面，其层级表面、持续生长、运输通路及适应性响应可为打印工艺与功能器件的设计提供启示。
喷墨及相关打印技术为满足上述需求提供了可行途径。其非接触沉积方式可直接将材料施加于植物表面，物理损伤可忽略不计，非常适合易在机械接触时触发防御反应的脆弱组织。基于喷墨的生物打印可在接近单细胞或单液滴的尺度上实现生物活性物质及活细胞的可控沉积，同时通过最小化打印过程中的机械应力保持细胞活力与功能。此外，喷墨打印及其生物打印衍生技术的多材料沉积能力，允许染料、标记物、生长调节剂、导电材料乃至活细胞按序或组合打印，为在单一工艺链中集成标记、递送与传感提供了技术基础。激光诱导前向转移（laser-induced forward transfer, LIFT）是另一种用于细胞及生物材料局部沉积的非接触方法，利用脉冲激光将材料从供体基底的吸收层转移，具有高空间精度且无需直接机械接触，但其应用需要专用设备与合适的供体材料，且激光诱导加热可能影响敏感的生物样本。
更为重要的是，上述方法属于数字化按需沉积技术，其位置、剂量与时机均可编程控制，因此原则上可根据表型图谱或实时成像生成靶向干预方案。同时，热喷墨与压电喷墨系统的成本及通量优势为其向温室乃至田间场景的拓展提供了工程可行性。因此，打印技术不仅是微尺度制造工具，更是连接精密制造、植物生理学与数据智能的潜在操作平台。尽管相关研究已开始涌现，现有综述尚未充分整合这一跨学科领域。多数已发表工作聚焦于植物细胞与组织的三维生物打印以及面向植物生物打印的生物墨水设计。这些研究为材料与工艺分类提供了重要基础，但很少涉及活体植物的原位操作、闭环反馈或应用之间的递进关系。尤其缺乏一个清晰且可扩展的分析框架，用以阐明喷墨及相关打印如何从简单标记演进为集监测、递送、传感、生物制造与智能决策于一体的植物操控平台。
据此，本综述提出包含监测、递送、传感、生物制造与智能系统五个层级的整合框架。首先介绍适用于植物系统的打印技术与功能性墨水，包括热喷墨与压电喷墨打印、气溶胶喷射打印及电流体动力学打印；随后从有效特征尺寸、器官尺度通量、潜在生物学损伤及墨水与植物的生理相容性四个维度评估其实际性能；进而分析液滴到达植物表面后的界面过程，为功能应用建立机理基础；在此基础上综述植物表型标记、生长追踪、精准递送、植物生物电子学及功能性生物制造方面的应用。仅在能够提供打印机理或工程约束方面可迁移见解时，才纳入非植物系统的证据。最后讨论打印技术与人工智能的整合及现存挑战与未来前景。通过该框架，旨在表明喷墨及相关打印的价值不仅在于材料沉积，更在于为植物系统提供一种低扰动、空间可寻址且具有反馈能力的工程化干预模式。
2. 适用于植物系统的喷墨及相关打印技术
四种打印技术与植物系统直接相关：热喷墨打印、压电喷墨打印、气溶胶喷射打印及电流体动力学打印。它们在可打印墨水粘度、液滴/特征尺寸、对活体组织的热或电负荷以及硬件成熟度与成本方面存在主要差异。
热喷墨打印是一种成熟的按需滴落（drop-on-demand, DOD）方法。微尺度电阻加热器在数微秒内使少量墨水汽化，产生的气泡膨胀通过喷嘴喷射液滴；加热元件处的瞬态温度可超过300 °C。该技术高度商业化。典型热喷墨系统产生约2–180 pL的液滴，加热脉冲频率约1–5 kHz，液滴尺寸主要由热梯度、墨水粘度及脉冲频率决定。对于生物打印，液滴喷射伴随局部加热，但液滴及其携带的细胞仅短暂暴露于升高的温度，总体温升通常限制在约4–10 °C。哺乳动物细胞研究在优化条件下报告了约90%的打印后活力。热喷墨适用于低粘度水溶液、生物聚合物及细胞悬液。在植物研究中，热喷墨更适合受控微液滴沉积、试剂与细胞的温和图案化以及柔性传感器和微针涂层的低成本制造，而非全细胞打印。
压电按需滴落打印依赖电压脉冲使压电元件变形，在流体通道内产生压力波，从而在喷嘴孔口喷射单个液滴。液滴形成主要取决于粘度、表面张力与惯性之间的平衡，因此墨水的流变性往往比打印头本身对打印质量影响更大。与热喷墨不同，该方法无需瞬态局部加热，对热敏感及生物活性材料更为温和。其可打印粘度范围远宽于热喷墨，可产生皮升至纳升级液滴。哺乳动物细胞研究报告了压电喷射后约82–96%的即时活力，机理研究表明喷嘴通过及喷射过程中的瞬态压力、剪切应力及膜变形是细胞损伤的重要因素。植物细胞因刚性细胞壁可能提供额外机械保护，但其更大的尺寸、液泡、聚集倾向及原生质体的渗透脆性引入了不同的脆弱性。压电喷墨兼具非热驱动、可控低体积分配及良好细胞相容性三重优势，有望用于原生质体处理，但仍需直接实验验证。
气溶胶喷射打印是一种非接触直写增材方法，特别适合在不规则、柔性或曲面基底上制造功能图案。该工艺分两步：功能墨水首先通过气动或超声方式雾化为微米级气溶胶液滴，然后由气流携带并经环形鞘气气动聚焦形成窄而稳定的沉积束。由于喷嘴与基底之间保持一定工作距离且无物理接触，可在刚性及柔性基底上直接书写高分辨率图案，同时对超薄或脆弱表面施加最小扰动。其材料适应性显著优于传统喷墨，可打印金属纳米颗粒、导电聚合物、石墨烯及碳纳米管等碳基材料以及生物相容性聚合物。结合无掩模、多层、多材料直写能力，气溶胶喷射打印可在单一基底上堆叠导电、介电及传感层，与植物健康监测器件对柔性、异质集成及低成本的需求天然契合。Baraniecki等人利用气溶胶喷射与喷墨打印结合的全打印工艺制备了导电微针电极，并集成无源近场通信（near-field communication, NFC）读出，实现了植物叶片总离子电导率的微创、实时、无线阻抗监测。
电流体动力学打印利用电场直接拉伸导电液体，在喷嘴孔口形成泰勒锥（Taylor cone），从中拉出细射流或按需液滴。由于液滴源自锥尖，其尺寸可远小于喷嘴内径，赋予该方法高分辨率、可控沉积及较宽的材料适应性。通过调节电压波形与供料速率，可在微纳尺度按需调控液滴体积与沉积位置。然而，该分辨率要求基底附近存在千伏级电场，可能伤害活体组织，而单喷嘴低通量及严格的工艺控制仍限制其田间应用。电流体动力学打印可处理纳米银等金属墨水以产生高导电图案，其对高粘度体系的耐受性也允许打印聚己内酯等聚合物及纳米复合墨水。多喷嘴协同打印可缓解单喷嘴通量瓶颈，机器学习等数据驱动方法已被用于预测打印行为并优化困难工艺参数。电流体动力学打印在活体植物系统中的直接实验验证仍然有限，其潜在角色包括制造用于监测水分状态、养分或病原相关信号的导电微电路与柔性传感界面，以及通过熔体电写等变体构建仿生微纤维或三维支架。
2.5 面向植物系统的功能性墨水
为适应植物系统的结构与生理特征，功能性墨水须从通用配方转向面向应用的设计。最具代表性的墨水可分为五类：活细胞墨水、水凝胶墨水、导电墨水、植物源墨水及农药/激素墨水。
活细胞墨水构成植物生物制造的基础，核心挑战是通过保护性基质减少剪切损伤，同时维持植物细胞或微藻的活力与代谢活性。海藻酸盐等多糖水凝胶具有剪切变稀特性，其粘度在流动下降低并在沉积后迅速恢复，从而在可打印性与细胞保护之间取得平衡。水凝胶墨水主要在打印后为细胞提供仿生微环境，理想配方须同时平衡流变性能、形状保真度与生物相容性。海藻酸盐/甲基纤维素复合材料可显著改善结构保真度，同轴喷嘴的原位离子交联可在打印过程中实现固化。导电墨水将植物打印与生物电子学连接，通过掺入碳纳米管、石墨烯或PEDOT:PSS等导电组分赋予水凝胶或柔性基底电学功能，实现植物电极、传感器及互连线的直写。植物源墨水强调材料可持续性，豌豆蛋白、大豆蛋白、纤维素纳米纤维及卡拉胶等藻类多糖均可作为基质。农药/激素墨水面向精准农业，核心思想是将化学药剂或植物激素封装于可降解或控释基质中，使打印实现位点特异、剂量可控的递送。
2.6 喷墨及相关打印技术在植物应用中的实际性能包络
喷墨打印过程中，功能墨水的喷射涉及复杂的自由表面演化与变形。液滴形成与成形通常由惯性力、毛细力与粘性力的耦合效应控制，常用雷诺数（Reynolds number, Re）、韦伯数（Weber number, We）及奥内佐格数（Ohnesorge number, Oh）等无量纲参数表征。然而，基于Re、We和Oh的可打印性判据必须与植物特异性生理约束共同考虑，包括生物相容性、植物角质层适宜的润湿性以及避免植物毒性溶剂或表面活性剂。实际效用取决于四个相互关联的性能维度：可在活体器官上可重复沉积的有效特征尺寸、器官尺度打印通量、喷射与沉积过程中可能导致细胞或组织损伤的机制，以及墨水与植物的生理相容性。
3. 喷墨打印与植物系统之间的功能界面
打印的功能结果还取决于液滴到达植物表面后的界面过程。液滴可能被保留、回弹、铺展或破碎。除韦伯数和雷诺数描述的惯性、毛细与粘性力的相对贡献外，沉积行为还受叶片润湿性、表皮蜡质、微尺度粗糙度、毛状体及局部曲率影响。液滴被保留后，其后续铺展与干燥由动态接触角、溶剂蒸发及内部流体流动控制。接触角滞后越大，通常越限制液滴运动，并可能促进蒸发过程中溶质在液滴边缘附近积累。同时，马兰戈尼流（Marangoni flow）与蒸发诱导毛细流调控液滴内的质量输运，进而影响沉积图案的均匀性与边界形貌。
3.1 喷墨打印用于植物生长发育监测
喷墨打印将传统文字图像输出拓展为原位表型分析工具。与依赖整株成像的高通量平台不同，喷墨打印以非接触、低损伤方式直接在活体器官上沉积高分辨率基准标记，避免了手绘、粘性标签或针标法的低精度、劳动密集及组织损伤问题。结合延时成像与计算机视觉，这些标记将局部表面变形转化为可量化的生长动力学与胁迫响应指标。其最直接的应用是在幼嫩叶片等脆弱组织上打印微米级点阵或网格。标记后，通过延时成像与计算机视觉将网格点位移解析为局部生长信息，进而转换为局部应变张量，给出具有速率、方向及各向异性特征的连续生长场。
3.2 精准递送与局部操控
喷墨打印的非接触沉积、皮升级体积控制及空间可寻址性使其非常适合植物系统的精准递送。对于农药递送，喷墨可减少传统喷施的漂移与总用量，实现微剂量靶向施用。喷墨递送已被证明与多种除草剂、杀菌剂及杀虫剂相容。对于养分与激素递送，成熟的喷墨实例仍然缺乏，但基于挤出的三维打印提供了有参考价值的邻近范例。核壳结构载体可在室温下封装多组分肥料并缓释，促进小麦幼苗生长。对于生物与遗传递送，喷墨系统已可用于植物促生微生物的原位接种，木霉属和芽孢杆菌属等有益真菌与细菌在打印后仍保持活力。
3.3 打印植物传感器与生物电子学
喷墨打印为植物生物电子学提供了一条低成本、无掩模的增材制造途径。与依赖刚性基底、真空工艺及光刻的传统微纳制造不同，它可在环境温度和压力下直接将导电结构图案化于柔性基底乃至活体植物表面。微创微针传感器具有代表性，喷墨打印可实现三维导电微针的低成本制造。气溶胶喷射打印的银纳米颗粒微针阵列兼具机械强度与几何可重复性，可穿透角质层和表皮接触质外体液体、韧皮部或木质部。喷墨打印还可用于制造农药残留检测器件。可穿戴"植物电子皮肤"可共形贴附于叶片、茎秆和果实，追踪生长应变、表面温度、湿度及挥发性有机化合物等参数。
3.4 绿色生物打印：迈向工程化活体材料
当打印目标从传感器和小分子扩展到活体植物细胞时，技术目标从表面制造转向活体材料的构建。维持细胞活力是首要挑战。植物细胞壁提供一定机械耐受性，但大液泡使细胞对剪切敏感，且细胞团尺寸不均匀限制了喷嘴选择与分辨率。相应策略是将细胞来源与喷嘴匹配：悬浮培养可获得近单细胞状态，选择能容纳超过85%细胞团的喷嘴可在大于80%活力下打印厘米级精细结构。原生质体短期活力略低，但去除细胞壁后更利于细胞融合与遗传修饰。喷墨在单细胞-纳米结构操控方面尤为有价值。将目标扩展到光合藻类赋予绿色生物打印自养特性，嵌入水凝胶支架的微藻在打印后持续产氧与固碳。体积生物打印可构建高细胞密度且长期维持光合效率的复杂三维结构。
3.5 喷墨集成智能农业系统
喷墨打印有望为智能植物管理系统提供精准递送组件。在闭环框架中，传感器监测植物状态，算法识别干预位置与剂量，打印设备沉积选定材料。然而，整合上述功能的集成系统尚未得到验证。当前应用主要限于按需递送与打印过程控制。闭环运行将需要传感、目标识别、定位与沉积的可靠集成，以及通量与田间鲁棒性的提升。
4. 跨学科挑战
喷墨打印在植物监测、递送、电子学及集成智能系统方面具有明确潜力。从实验室概念验证走向田间部署，需要解决植物生物学、材料科学、精密制造与数据智能交汇处产生的耦合问题。
4.1 植物系统特异性
活体植物表面的异质润湿性、粗糙度与曲率使液滴沉积强烈依赖于器官类型、表面位置及发育阶段。与静态工程基底不同，这些界面性质在植物生长过程中持续变化，使单一打印参数难以跨物种、器官及生长阶段迁移。叶片是持续交换水分与溶质的活性界面，蒸腾作用与双向角质层水流通量改变液滴附近的局部湿度与溶质浓度。打印后生长持续进行，器官扩张使现有标记、传感器或递送位点发生空间漂移并失去配准。
4.2 墨水-植物界面
植物用墨水必须在功能输出与生物相容性之间取得平衡，其设计须协调材料化学、界面物理与植物生理。首要困难是毒性与性能之间的权衡。功能性纳米材料可能对植物构成成分依赖性和剂量依赖性风险。天然基质如海藻酸盐和纤维素表现出良好相容性但性能不足。渗透与毒性相互关联：高渗透性载体或表面活性剂有助于组分穿越生物屏障，但也提高局部毒性。
4.3 多尺度系统集成
微尺度制造精度与宏观农业部署之间存在张力。实验室中喷墨和电流体动力学打印可实现微纳图案化，但该精度高度依赖严格的环境与工艺控制。田间条件引入不确定性：受控温湿度、振动隔离及固定平面基底不再适用，喷嘴和压电元件对灰尘、振动及温度变化敏感，公顷级作业需要将皮升级液滴控制扩展到大面积区域。
4.4 数据与人工智能
闭环系统还必须协调数据、算法与执行。即使微针pH传感器在实验室中捕获快速变化，信号处理、传输、推理与喷嘴响应的累积延迟仍使执行落后于植物真实生理状态。数据方面，冠层图像、原位信号与土壤数据在尺度、维度及噪声方面存在差异，面向植物系统的融合框架仍然缺乏。更深层的瓶颈是鲁棒性：识别模型多在受控条件下训练，在种间变异、发育变化及复合胁迫下往往失效。
5. 未来展望：从打印技术到集成植物系统
生长监测、精准递送、植物电子学与生物制造可能共同实现与活体植物更精准、更响应的协作方式。近期机遇在于将打印从一次性局部沉积扩展为更具适应性的干预。热喷墨与压电喷墨因其按需滴落操作而尤为相关。进一步机遇是将打印与植物传感及反馈控制整合。从长远看，打印可能有助于构建结合柔性电子、响应材料、传感与局部递送的集成植物界面。
6. 结论
所综述的打印技术在植物系统中扮演互补而非可互换的角色。热喷墨与压电喷墨提供成熟的按需滴落沉积，气溶胶喷射打印提供适合植物生物电子学的共形高分辨率制造，电流体动力学打印扩展了特征分辨率与材料范围，但仍受高电场及有限植物验证的制约。当前实验证据支持若干具体应用，包括活体植物器官的表面标记与生长监测、植物界面传感器与导电结构的制造以及选定化学或生物制剂的局部递送。然而，不同应用的验证水平存在差异，营养物、激素、遗传材料及其他先进载荷的打印递送直接证据仍然有限。可编程植物、自主反馈系统、植物数字孪生及智能农业界面等更集成化的概念仍属前瞻性而非既有能力。未来工作应优先验证打印参数、递送剂量与植物响应之间关系的直接证据，而更集成化的系统仍是长期研究方向。
