《Biomimetics》：Applications of Nanofabrication Technologies in the Preparation of Biomimetic Structures
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仿生结构现在是研究的主要课题，因为自然系统通过分级组织、多功能界面和跨尺度设计原则实现了高性能。纳米制造（Nanofabrication）提供了一种强大的方法，从纳米尺度到宏观尺度重现生物结构，允许精确控制表面化学、几何形状、传输、力学和功能。最近的研究表明，
仿生结构现在是研究的主要课题，因为自然系统通过分级组织、多功能界面和跨尺度设计原则实现了高性能。纳米制造（Nanofabrication）提供了一种强大的方法，从纳米尺度到宏观尺度重现生物结构，允许精确控制表面化学、几何形状、传输、力学和功能。最近的研究表明，这种方法对于仿生器件和系统尤为关键，包括生物传感器（biosensors）、药物递送平台（drug delivery platforms）、组织工程构建体（tissue-engineered constructs）、器官芯片系统（organ-on-chip systems）、软体机器人（soft robots）和生物混合器件（biohybrid devices）。本综述旨在系统概述纳米制造如何构建仿生结构，重点关注生物模板化（bio-templating）和自然结构的复制、纳米制造在仿生器件和系统中的应用，以及跨尺度仿生学（cross-scale biomimetics）。
1. 引言
仿生学是一个跨学科领域，灵感来源于生物体经过数百万年演化形成的结构、性质和功能。自然系统通过分级组织、多功能界面和跨尺度设计原则实现高性能，例如超疏水荷叶、粘附性壁虎足和虹彩闪蝶翅膀。纳米制造（Nanofabrication）提供了从纳米到宏观尺度精确重现生物结构的能力，涵盖表面化学、几何、传输、力学和功能控制。近期研究强调，该方法在生物传感器（biosensors）、药物递送平台、组织工程构建体、器官芯片（organ-on-chip）系统、软体机器人（soft robots）和生物混合器件（biohybrid devices）等仿生系统中至关重要。本综述旨在系统阐述纳米制造如何构建仿生结构，重点关注生物模板化（bio-templating）与自然结构复制、纳米制造在仿生器件和系统中的应用，以及跨尺度仿生学（cross-scale biomimetics）。
2. 纳米制造技术
纳米制造包括产生至少一个维度低于100 nm特征的一系列图案化与结构化方法，但在仿生背景下，其与微制造和增材制造的界限常模糊，因生物结构跨越多个尺度。本节按物理原理分组技术，而非严格尺寸界限。策略分为自上而下和自下而上方法：自上而下方法如光刻法和刻蚀，源于半导体制造，通过图案化和去除材料得到纳米结构；自下而上方法如分子自组装和DNA折纸术（DNA origami），依赖分子自发组织成有序结构。混合方法结合传统光刻与生物纳米构建块（如病毒衍生纳米颗粒）的自组装，构建跨微纳尺度的分级结构。
2.1 基于光刻的方法
光刻法（Photolithography）通过紫外曝光将几何图案从光掩模转移到光刻胶，是微纳制造的主力，提供可靠纳米级分辨率和高通量，适合制作规则阵列（如柱、孔、通道）用于细胞培养平台、生物传感器换能器和微流控母模。但本质为2.5维，无法产生真3D曲面形貌。电子束光刻（EBL）使用聚焦电子束在电子敏感抗蚀剂中直接写入图案，分辨率可达10 nm以下，无掩模，适合制作仿生纳米结构母模（如抗反射蛾眼阵列、等离子体生物传感器），但串行工艺吞吐量极低。聚焦离子束（FIB）利用加速离子进行铣削、沉积或成像，用于位点特异性截面和原型制作，但串行且具破坏性，镓污染可能影响生物相容性。纳米压印光刻（NIL）通过机械压印将硬模压入聚合物抗蚀剂，复制小至约10 nm的特征，成本适中且高通量，可忠实复制自然表面纹理（如鲨鱼皮肋条、荷叶乳突），但压印模具磨损、脱模缺陷和残余层控制是挑战。软光刻（Soft lithography）使用弹性体印章（通常为聚二甲基硅氧烷PDMS）转移图案，分辨率达30 nm，成本低，可图案化非平面表面和生物分子，擅长制作微流控网络和器官芯片隔室，但PDMS印章易变形、溶胀或坍塌，限制大面积保真度。
2.2 薄膜沉积与刻蚀
薄膜沉积包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD），以及原子层沉积（ALD）和脉冲激光沉积（PLD）等先进变体，提供对厚度、成分和均匀性的精确控制。刻蚀在图案转移中起关键作用，反应离子刻蚀（RIE）结合物理溅射和化学刻蚀，电感耦合等离子体（ICP）刻蚀解耦离子能量和密度，提供高各向异性和高选择性。ALD共形涂层可功能化多孔支架而不堵塞孔，ICP刻蚀可加工高深宽比纳米结构（如硅纳米柱用于杀菌表面）。但沉积和刻蚀本身无法构建完整仿生架构，需与光刻或模板化结合。
2.3 激光基方法
脉冲激光烧蚀通过去除材料创建表面纹理，双光子聚合（2PP）及相关直写技术以加法方式构建复杂3D纳米结构，特征尺寸可达约100 nm。激光烧蚀可在金属、陶瓷和聚合物上雕刻超疏水或减阻形貌；2PP是少数能一步生成真3D微纳米晶格、小梁网络和复眼透镜阵列的技术之一。但烧蚀会产生热影响区，2PP速度慢且光刻胶材料选择有限，扩展到宏观尺寸同时保持纳米特征仍是主要障碍。
2.4 3D打印与增材制造
挤出、喷墨和光基3D打印机逐层沉积材料，分辨率从几微米到数百微米。3D打印擅长制作具有患者特定几何形状和可控宏孔隙的宏观形状，如模拟肌肉液压静力的软体致动器。增材制造可制造复杂仿生结构，如骨再生分级多孔支架和超亲水/超疏水表面。但独立3D打印机无法定义细胞感知的纳米级表面粗糙度、化学或纳米纤维纹理，需后处理（如涂层或静电纺丝）。
2.5 静电纺丝
静电纺丝在高电场下拉伸聚合物射流，产生直径约10 nm到几微米的连续纤维。所得无纺布毡紧密模拟细胞外基质（ECM）的纤维架构，广泛用于组织工程支架、伤口敷料和过滤膜。药物负载纳米纤维系统实现靶向递送，提高疗效并减少全身副作用。但纤维沉积通常随机且难以在三维中控制，获得取向或空间组织化纤维阵列需改进收集器或后处理。
2.6 分子自组装与DNA折纸术
分子通过非共价相互作用自发组织成有序纳米结构，实现近原子级分辨率。DNA折纸术（DNA origami）增加可编程性，可构建任意2D和3D形状。自组装可创建仿生脂双层、酶模拟催化孔和光子纳米结构；DNA折纸术用于构建分子精确药物载体和蛋白质支架。但长程有序难以维持，缺陷易累积，将设计的纳米组装转化为宏观材料或设备仍是根本挑战。
2.7 值得注意的补充技术
扫描探针光刻（如蘸笔纳米光刻）可写入化学图案，分辨率低于50 nm，特别适合沉积生物分子。胶体光刻利用自组装微球单层作为刻蚀掩模，产生周期性纳米柱或纳米孔阵列。嵌段共聚物光刻利用微相分离在大面积上产生高度规则的10-50 nm图案。毛细力光刻通过毛细作用填充模具，实现高深宽比生物模板在软基底上的复制。
2.8 商业可行性、成本与可扩展性考虑
从实验室演示到商业产品，成本、吞吐量和工艺可靠性是关键。光刻仍是唯一完全成熟的高通量平台，但资本成本高，局限于高附加值产品。软光刻和静电纺丝建立成本低，但分别受限于印章寿命短和纤维取向差。纳米压印光刻正接近光学膜和某些生物传感器的商业可行性，而电子束光刻和聚焦离子束铣削因速度慢和成本高仅适用于原型或掩模制造。加法技术如双光子聚合和自下而上方法如DNA折纸术提供高分辨率，但远未达到成本效益的大规模生产。混合跨尺度工艺会叠加资本成本、工艺复杂性和良率损失。
2.9 各种技术的比较表
（注：原文有表1，总结各技术的关键性能指标，此处省略表格，用文字描述。）表1展示了主要纳米制造技术对于仿生结构的比较评估，包括分辨率、吞吐量、成本、可扩展性和适用性，强调每种方法复制生物结构的独特优势及其局限性。
3. 仿生材料
本节聚焦仿生材料的设计原理，从形状模仿转向多尺度功能集成。早期工作集中于复制单一结构基元（如珍珠层砖泥分层、分级孔隙度或表面粗糙度），以获取高强度、韧性、疏水性或粘附性。近期研究明显转向多尺度、功能集成的仿生学，旨在跨纳米、微米和宏观尺度复制耦合性质。天然材料性能来源于界面、梯度、各向异性和分级秩序，而非单一成分。仿生材料设计已从“形状模仿”进步到“结构-功能翻译”。过去十年主要主题是使用天然结构作为模板或设计参考，如珍珠层启发、骨启发、植物启发和海绵启发系统。双向冷冻和冰模板化用于制备对齐层状支架和分级多孔网络，提升强度、韧性和弹性。2023-2026年的工作更强调定量和可编程仿生学，转向建模、优化和可控组装，从纯粹结构模仿转向功能自适应仿生材料。生物医学应用中，纳米结构生物材料被设计用于组织再生、伤口愈合、生物传感、抗菌和药物递送。纳米复合GelMA生物墨水和纳米材料集成3D生物制造结构作为下一代平台。同时，可扩展性、重现性、界面稳定性和安全问题是常见瓶颈。
4. 仿生表面与仿生结构
本节集中于仿生表面和薄功能结构。仿生表面通过微纳结构复制自然系统（如荷叶、鲨鱼皮、昆虫翅膀），展现超疏水、防污、自清洁和可控粘附等突出功能。纳米制造技术通过精确控制多尺度结构重塑了仿生表面工程。分级结构是重复出现的架构主题，通过重新分布应力和应变改善机械性能。分级仿生设计（如蜂窝和管）显著提高比能量吸收（SEA），二阶结构可提升SEA。微纳米尺度表面形貌通过限制接触面积和促进脱附减少细菌附着和生物膜形成。近期进展将仿生表面带入生物医学、传感和自清洁应用，多功能性和适应性成为新兴方向。当前状态是强烈推动混合纳米制造方法，结合自上而下光刻和自下而上自组装，产生高度功能化的分级结构，但可扩展性、重现性和长期性能挑战依然存在。
5. 生物模板化与自然结构复制
生物模板化利用天然结构直接作为支架或母模，保留分级形态、互连孔隙和表面功能，这些难以通过传统制造实现。基本思想是将天然物体、组织或生物支架作为现成模板，然后复制、反转或增强其结构。近期关键变化是生物模板化不再仅凭视觉相似性评判，而是评估保真度、可扩展性、功能保持和工艺稳健性。
5.1 生物模板化
生物模板化区别于普通图案转移，因为生物模板具有内置多尺度有序性（从纳米粗糙度到厘米级血管或层状组织）。天然模板（如叶子、木材、海绵、蛋壳膜、微生物支架、脱细胞组织）反复出现作为复制指南。与纯合成模板不同，这些生物基底常将化学和几何结合于一体，复制产品可同时继承结构线索和表面化学。该领域从直接复制到功能重新解释形成一个光谱：最直接的是复制模塑或纳米铸造，随后是反向复制（模板去除，空隙成为最终结构），最新方向是混合复制（模板被化学或机械升级，使最终架构超越原始模板）。模板复杂性和去除往往相互矛盾，对于闭合细胞或高度交织结构，完全提取而不产生裂纹或特征塌陷仍是未解决的加工挑战。
5.2 主要生物模板
不同天然模板提供不同结构优势。植物表面（如荷叶、玫瑰花瓣、鹅毛、黄叶芋）具有明确的微纳纹理，与超疏水、自清洁、防污和防腐蚀功能相关，适合功能涂层。木材和丝瓜络常用作多孔陶瓷和热管理结构的宏观模板，含有对齐通道和互连空隙。海绵和蛋壳膜提供网状架构用于分级陶瓷和催化活性载体。微生物、病毒、细菌、真菌、藻类和细菌纤维素作为生物可编程模板，具有可重现的纳米级组织和丰富表面化学。天然组织（如骨、牙本质、软骨和附着点）用于复制结构和机械功能，挑战包括复制分区过渡、矿物梯度和载荷传递路径。
5.3 制造路线
主导制造逻辑是模板浸渍后再转化或去除。直接复制中，聚合物或溶胶-凝胶前体浇铸到生物表面（如叶子、玫瑰花瓣、羽毛）并固化以复制形貌，适合功能表面但限于浅浮雕。泡沫复制或海绵复制中，多孔生物模板浸渍陶瓷或前体浆料，然后烧掉或转化，产生开孔结构。冰模板化（冻铸）属于同一概念家族，用冰作为瞬态模板复制对齐分级孔隙逻辑。最新趋势是混合生物模板化，配对二次处理如原子层沉积、掠射角沉积、光聚合、矿化或多材料打印，但每个附加步骤增加变异性和成本。
5.4 结构-性能关系
复制只有保留原始生物系统的功能承载特征才有用。模板编码分级粗糙度、各向异性传输通道或承载架构直接影响性能。但保真度本身不足，直接复制可能再现形态良好，却缺少界面力学或晶体学特征。最佳仿生复制品通常是结构加材料系统，而非纯形态复制。文献中缺乏生物模板复制品与原始生物材料在相同测试条件下的直接比较，且长期环境稳定性很少报告。
6. 纳米制造在仿生器件和系统中的应用
本节转向集成器件和系统，涵盖纳米制造生物界面驱动系统级性能的应用领域。纳米制造已进入仿生器件和系统开发的核心，因其控制表面化学、形貌和多尺度架构的能力。近年重点从单纯微型化转向工程生物界面，主动调节细胞、流体、信号和力学。应用远超生物传感器和药物递送，进入器官芯片、生物混合组织、可穿戴电子和软体机器人系统。
6.1 仿生生物传感器与生物电子界面
早期生物传感器设计优化单一分析物读数，新近仿生平台整合多模态传感、微流控兼容性和柔性基底。纳米制造通过控制图案化材料和结构，在识别事件发生的尺度上改善分析性能，开启连续监测。可穿戴和生物集成设备越来越多地设计用于实时健康监测、床旁诊断和精准医疗。性能提升仍取决于制造质量、界面稳定性和标准化。
6.2 药物递送与控释系统
纳米制造重塑了仿生药物递送，通过精确控制几何形状、载药量和释放动力学。微纳米制造可产生微针、储库、载体和刺激响应系统，其架构精度是常规配方路线无法比拟的。从生物仿生角度，这很重要，因为生物运输系统不依赖简单体扩散，而依赖结构化路径、局部隔室化和调节释放。显著趋势是远离孤立递送结构的微制造，转向集成传感、驱动和释放的集成平台。纳米制造系统更善于再现原生生理释放的空间和时间精度。
6.3 组织工程与生物制造仿生系统
在组织工程中，纳米制造最强大之处在于创建细胞指导性微环境，而非仅塑造支架。纳米材料融入3D生物制造结构可改善机械强度、导电性、生物活性和药物递送，支持神经、骨、心脏和伤口修复。当前方向倾向于多功能构建体，通过架构和组成共同调节细胞。混合生物制造平台更接近原生组织的分级组织，因可整合梯度、界面和纳米材料功能。近期研究从结构支架转向功能组织平台，纳米复合GelMA生物墨水和纳米材料集成3D系统作为下一代工具。
6.4 器官芯片与芯片实验室系统
器官芯片系统是纳米制造最清晰的仿生应用之一，在受控微环境中重现流动、隔室化和细胞组织。微工程和3D生物制造可更忠实地再现生理架构，改善疾病模型和药物筛选。纳米制造不仅是一种制造方法，还使仿生功能实验可控。简单微流控芯片与更复杂的组织特异性仿生芯片形成对比：简单芯片紧凑可重现，但常过度简化生物学；更先进平台改善生理相关性，但增加制造难度和协议复杂性。芯片系统越来越多地作为生物材料和生物学之间的界面部署。
6.5 软体机器人、可穿戴系统与生物混合器件
软体机器人和生物混合器件严重依赖纳米制造，因为仿生运动需要柔顺性、分布式传感和多尺度集成。纳米材料和纳米制造帮助产生软体致动器、柔性传感器和集成界面。与刚性机器人相比，这些系统本质上更仿生，近似生物体的柔软性、适应性和机械耦合。该领域从仅运动原型发展到运动加传感加功能集成。生物混合机器人通过将活组织或细胞驱动致动纳入工程结构，进一步推进这一轨迹，但面临最高的可重现性、耐久性和长期稳定性障碍。
7. 跨尺度仿生学：从纳米到宏观的系统集成
跨尺度仿生学成为仿生结构的核心设计逻辑，因为生物性能来源于纳米尺度化学、微观尺度组织和宏观尺度几何的协同作用。目标不再是复制自然形状，而是重现连接界面、层级和载荷传递的耦合规则。指导原则是纳米尺度特征提供局部机制，宏观尺度架构设定系统级功能。单尺度方法可产生有用效果，但会因剩余尺度未协调而达到平台期。加工技术分为自上而下确定性制造和自下而上分级组装。当前工作越来越多地合并两者，例如打印宏观框架后让自组装、结晶或渗透产生更精细层级。界面工程被强调为尺度间的真正桥梁。在生物混合复合材料中，纳米、微米和宏观尺度界面各贡献不同功能。机械上，跨尺度设计有助于解决刚度与韧性、强度与孔隙率等长期权衡。近期文献日益重视人工智能（AI）、定量仿生学和多尺度建模，从定性模仿转向预测框架。跨尺度仿生学也在热管理、润湿和传输等功能系统中获得进展，纳米尺度纹理需嵌入更大方向性路径或多层堆叠才能产生稳健宏观性能。
8. 挑战与未来方向
纳米制造使仿生结构更加复杂，但该领域目前受限于可重现加工、安全性和规模化。主要技术障碍是“分辨率与可扩展性”的张力：高分辨率方法（如EBL、NIL、飞秒激光图案化、2PP）可复制精细仿生特征，但吞吐量和成本受限；增材制造和混合生物制造在体积和几何上更强，但分辨率有限。第二个挑战是“实际运行条件下的界面稳定性”，仿生性能常因温度、湿度、化学暴露、机械载荷或生物流体而退化。第三个瓶颈是“生物安全性与生命周期行为”，长期归宿、生物降解、免疫反应和环境释放需作为设计变量。最有前景的方向是“定量、数据驱动的仿生学”，包括多尺度建模、数字孪生、机器学习（ML）和原位表征。可持续生物制造与生物相容性、可降解性、绿色试剂和可再生原料相关。对于仿生医疗器械，文献强调基于风险的分类、生物相容性测试、质量体系、临床前验证和上市后监管作为核心要素。监管路径在仿生纳米制造文献中仍代表性不足。
9. 结论
纳米制造已成为将仿生学从灵感推向实施的关键工具包。最强大的发展方向是自下而上组装、自上而下图案化、生物模板化和工艺杂交的融合，使得跨尺度构建仿生系统同时保持功能相关性。未来进展将取决于定量设计、标准化测试以及在规模化过程中保持分级的制造策略。该领域正转向集成多尺度翻译，目标不再是模仿自然形态，而是在实用工程系统中再现自然的组织原则。
