研究人員利用嵌入式3D打印技術(shù)復(fù)制精細(xì)天然纖維
時(shí)間：2025-02-19 10:58 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年2月18日，來自伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員利用嵌入式3D打印技術(shù)成功復(fù)制自然界中的精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)，例如蜘蛛絲和盲鰻黏液中的微米級纖維。這種技術(shù)通過溶劑交換方法克服了傳統(tǒng)3D打印的限制，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.5微米的打印分辨率，并可用于制造復(fù)雜的幾何形狀。
來源：伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校。
通過模仿自然界中生物的纖維特征，例如纖毛、蜘蛛絲和盲鰻黏液絲束等，可用于實(shí)現(xiàn)傳感和結(jié)構(gòu)功能。伊利諾伊大學(xué)的MechSE 教授 Sameh Tawfick 和 Randy Ewoldt、博士候選人 M. Tanver Hossain 和外部合作者利用他們尖端的嵌入式3D打印技術(shù)解決了這一需求。他們的研究成果以題為“通過嵌入式溶劑交換快速3D打印細(xì)小、連續(xù)和柔軟的纖維/Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange”的論文發(fā)表在《自然通訊》期刊上，主要討論了他們采用生物啟發(fā)方法在凝膠中快速打印細(xì)纖維背后的科學(xué)原理。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-55972-1
與傳統(tǒng)的 3D 打印方法（在環(huán)境空氣中逐層沉積材料）不同，嵌入式 3D 打印將材料沉積在水凝膠等支撐介質(zhì)中。在空氣中打印時(shí)，模型必須定向，以便每一層都可以支撐下一層，或者對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，可以打印可拆卸的支撐結(jié)構(gòu)并在之后丟棄。在凝膠中打印則不需要這些結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟z本身可以支撐打印材料的形狀 - 從而可以更高效地打印螺旋彈簧等復(fù)雜形狀。此外，打印部件可以在凝膠中固化，然后從凝膠中取出 - 從而允許凝膠重復(fù)用于多次打印。
然而，嵌入式 3D 打印以前很難打印非常細(xì)的物體，這讓人想起了在空氣中進(jìn)行 3D 打印。直徑小于 16 微米的細(xì)絲會因表面張力而在固化過程之前迅速斷裂。研究團(tuán)隊(duì)希望打印直徑更細(xì)的細(xì)絲，以匹配自然界中發(fā)現(xiàn)的纖維，例如蜘蛛產(chǎn)生的絲或盲鰻擠出的粘稠防御絲。論文第二作者、專注于設(shè)計(jì)非牛頓凝膠的Hossain說：“自然界中，有許多絲狀結(jié)構(gòu)的例子，其直徑只有幾微米。我們知道這一定是可能的。”
研究人員采用了一種溶劑交換方法來抑制表面張力引起的毛細(xì)管斷裂。Hossain說：“我們修改了凝膠和打印墨水，這樣墨水一沉積在凝膠中就會固化。這可以防止細(xì)絲斷裂，因?yàn)樗鼛缀跛查g就凝固了。”通過這種方法，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了 1.5 微米的分辨率。他們還嘗試通過多個(gè)噴嘴并行打印——從而實(shí)現(xiàn)快速制造。
第一作者、現(xiàn)任韓國檀國大學(xué)纖維融合材料工程系教員的 Wonsik Eom 博士曾是 Tawfick 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。專注于設(shè)計(jì)溶劑交換過程的 Eom 說道：“這項(xiàng)研究克服了 3D 打印技術(shù)長期以來的限制——打印直徑小至一微米的軟材料。實(shí)現(xiàn)如此高的打印分辨率意味著我們現(xiàn)在擁有了模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的微纖維和毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)，它們具有非凡的功能。”研究人員之所以對嵌入式 3D 打印感興趣，是因?yàn)樗锌赡軓?fù)制盲鰻黏液的特性，由于存在微米級線束，盲鰻黏液的機(jī)械性能優(yōu)于其他凝膠。埃沃爾特與查普曼大學(xué)的外部合作者道格拉斯·福吉教授一起研究盲鰻黏液的力學(xué)已有十多年。
Eom 說道：“我們采用嵌入式 3D 打印技術(shù)來模擬這些線。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)開發(fā)高分辨率嵌入式 3D 打印技術(shù)使我們能夠復(fù)制比我們最初預(yù)期更廣泛的自然結(jié)構(gòu)。”Ewoldt 說道：“這項(xiàng)研究與我團(tuán)隊(duì)更廣泛的研究愿景有關(guān)——利用非牛頓流體和軟固體的復(fù)雜機(jī)械行為實(shí)現(xiàn)新穎的工程功能。這一觀點(diǎn)融合了力學(xué)的基礎(chǔ)領(lǐng)域，從流體力學(xué)到固體力學(xué)以及介于兩者之間的行為。”
Tawfick說道：“這種方法的意義在于，它能夠制造出多種幾何形狀的毛發(fā)，而且不必承受如此細(xì)小而柔韌的毛發(fā)所承受的向下重力。這使我們能夠使用超精密 3D 打印機(jī)制造出具有精細(xì)直徑的復(fù)雜 3D 毛發(fā)。”他一直在努力展示這種方法的實(shí)用性和各種應(yīng)用。通過他們的技術(shù)，研究人員計(jì)劃進(jìn)行更先進(jìn)的材料開發(fā)。Hossain說：“這種方法具有巨大的潛力，因?yàn)槌?xì)長纖維可以與功能材料相結(jié)合，從而復(fù)制出受自然啟發(fā)的纖維結(jié)構(gòu)。”
Eom 說道：“我們對打印目前使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的精細(xì)微結(jié)構(gòu)特別感興趣。”
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