Nature通訊：3DPX技術打印高精度毛發，最細1.5μm！
研究背景
1.自然界纖維結構的啟示：自然界中存在如毛發、觸須、蜘蛛絲等多種纖維結構，執行著傳感、結構支撐等功能，其獨特性能為工程材料研發提供思路，推動科學家探索模仿這些結構的制造技術。
2.現有制造技術的局限：在生物啟發的工程應用中，微納尺度毛發陣列需求大，如在機器人傳感、醫療給藥、微流控等領域。但現有光刻和微加工技術只能制造 2D 直幾何結構，且高度和縱橫比受限；傳統 3D 打印方法制造的細絲直徑大，難以滿足需求。
3.嵌入式 3D 打印的發展：嵌入式 3D 打印可解決重力引起的變形問題，拓展了可打印材料范圍。然而，其打印細絲直徑受表面張力等因素限制，目前最小只能達到 8μm，無法滿足對更細纖維的需求。
來自美國伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校 Sameh H. Tawfick教授團隊，開發出基于嵌入式溶劑交換的 3D 打印（3DPX）技術。該團隊通過精確調控溶劑交換過程中的材料參數，優化支撐凝膠的性質，成功實現了從多種材料中打印出直徑僅 1.5μm、高縱橫比的精細纖維結構。解決了傳統 3D 打印技術在制造極細纖維時易受毛細管作用影響導致纖維斷裂，以及可打印材料范圍窄、難以實現復雜 3D 結構高精度打印的痛點。相關工作以 “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange” 為題發表在《Nature Communications》上。
研究方法
1.構建溶劑交換體系：選用能溶解聚合物的溶劑和不與聚合物混溶但與溶劑混溶的非溶劑，構建三元體系。如以熱塑性彈性體 SEBS、甲苯和乙醇分別作為聚合物、溶劑和非溶劑，使聚合物溶液在注入凝膠時發生溶劑交換，實現快速固化。
2.制備材料及測試：制備多種聚合物墨水和不同乙醇濃度、屈服應力的支撐凝膠。用旋轉流變儀分析墨水和凝膠流變特性，HPLC 測定相分離溶液中甲苯濃度，多種顯微鏡觀察打印過程和結構。
3.3D 打印實驗：利用定制 3D 打印機，在支撐凝膠中進行單根細絲、復雜幾何結構和毛發陣列打印實驗，研究不同參數對打印效果的影響。
研究結果
1. 成功實現精細纖維打印：通過溶劑交換，實現了 1.5μm 的細絲打印（圖 1g），打印的圓錐線圈（圖 1d、e、f）結構穩定，驗證了該方法在制造精細結構方面的有效性。
2. 明確材料特性及固化過程：以 SEBS 等為研究對象，構建三元相圖（圖 2a），發現高濃度聚合物墨水固化更快。分析上清液中甲苯含量（圖 2b、c），明確乙醇濃度對溶劑交換的影響。研究 SEBS 溶液流變特性（圖 3a），確定不同濃度溶液狀態和黏度變化規律。監測固化過程（圖 3d - f），發現高濃度溶液固化快，為打印細纖維提供理論依據。
3. 掌握打印參數影響規律：打印參數和凝膠屈服應力對細絲直徑和形狀有顯著影響（圖 4）。隨著打印速度增加，細絲直徑減小；凝膠屈服應力提高，能更好地控制細絲位置和形狀。該方法具備良好的可擴展性，能夠提高打印速度并實現多噴嘴打印。
4. 材料與結構拓展：多種聚合物及碳納米管復合材料均能成功打印（圖 5a、b），極大地拓寬了材料選擇范圍。打印出了 2D 螺旋、3D 球型等多種幾何結構（圖 5d - g），充分證明該技術制造復雜結構的能力。此外，在基底上成功打印毛發結構（圖 6），制備出不同形狀和高縱橫比的毛發，展示出在仿生應用方面的巨大潛力。
研究結論
本研究展示了一種基于嵌入式直接墨水書寫和溶劑交換的快速 3D 打印方法，可制造高縱橫比（達 7511）、細絲直徑低至 1.5μm 的仿生纖維結構。通過研究溶劑交換熱力學、固化速率和材料流變性能，實現了多種聚合物的高精度打印。該方法打印速度快，能制造自由形態和無支撐結構，克服了以往方法的局限。
挑戰與展望
目前，從凝膠中無損移除極細且高縱橫比的毛發仍是挑戰。未來，可將超細、長纖維陣列與功能材料結合，用于觸覺傳感器、藥物遞送微針和微流控設備等領域，進一步拓展該 3D 打印方法的應用范圍，提升其功能性和實用性。
文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1
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