Nature 子刊：研究人員通過3DPX技術(shù)打印微米級毛發(fā)

南極熊導(dǎo)讀：生物界中的毛發(fā)和纖維結(jié)構(gòu)在傳感和結(jié)構(gòu)功能方面至關(guān)重要，如甲蟲毛發(fā)、哺乳動物胡須、蜘蛛絲和盲鰻粘液纖維等。然而，在制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的制造工藝復(fù)制這些微米級纖維結(jié)構(gòu)一直是一項挑戰(zhàn)。

△示意圖顯示了毛發(fā)陣列的打印過程和打印機制

2025年1月21日，南極熊獲悉，一項名為嵌入式溶劑交換（3DPX）的3D打印技術(shù)成功克服了這一難題。研究團隊展示了通過這項技術(shù)實現(xiàn)的具有自由形狀軌跡的3D打印毛發(fā)結(jié)構(gòu)，纖維直徑可細至1.5微米，并且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)長度。該技術(shù)的核心在于將噴嘴嵌入微粒凝膠浴中，利用凝膠的屈服應(yīng)力流變學(xué)特性，使得纖維能夠以仿生軌跡自由放置。

3DPX技術(shù)的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它的快速固化的能力，通過溶劑交換使得擠出的聚合物溶液以2.33微米/秒的速率徑向固化，顯著增強了彈性平臺模量，防止了毛細管現(xiàn)象導(dǎo)致的纖維斷裂。此外，3DPX技術(shù)在材料選擇上具有極大的靈活性，包括使用市售熱塑性聚合物和納米復(fù)合材料進行打印。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《Nature Communications》，題目為“通過嵌入式溶劑交換快速3D打印細小、連續(xù)、柔軟的纖維”（傳送門）

研究背景

在自然界中，許多生物利用毛發(fā)狀、纖維狀和長線狀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)特定的功能，例如蜘蛛絲的多功能性、靜纖毛和微絨毛在細胞表面的作用、以及細菌菌毛的多功能性。這些生物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能性激發(fā)了工程師和科學(xué)家開發(fā)新的工程材料。

然而，現(xiàn)有的制造技術(shù)無法復(fù)制自然界中觀察到的具有三維幾何形狀和高長寬比（20-1000微米）的纖維結(jié)構(gòu)。盡管光刻和微加工技術(shù)為制造微柱提供了可能，但它們僅限于二維結(jié)構(gòu)，并且受到晶圓厚度和縱橫比的限制。

為了解決這些限制，研究者們探索了通過3D打印技術(shù)來復(fù)制這些復(fù)雜的3D纖維或分支結(jié)構(gòu)。一種稱為嵌入式3D打印的方法能夠通過使用具有屈服應(yīng)力流變性的支撐凝膠來解決直接書寫墨水過程中打印結(jié)構(gòu)因重力而變形的問題。這種方法允許打印出更細、更長的纖維結(jié)構(gòu)，擴大了可打印材料的范圍，包括模量約為1MPa的彈性油墨，從而能夠準(zhǔn)確復(fù)制各種自然結(jié)構(gòu)的功能形態(tài)。

△嵌入式3D打印機制示意圖

3DPX技術(shù)實現(xiàn)微米級纖維結(jié)構(gòu)

實驗過程中，研究團隊采用了凝膠嵌入打印技術(shù)，這允許打印出直徑在20至50微米范圍內(nèi)的纖維。然而，由于表面張力導(dǎo)致的毛細管現(xiàn)象，更小直徑的纖維容易斷裂。為了解決這一問題，研究者們通過溶劑匹配技術(shù)顯著降低了界面張力，成功打印出了直徑為8微米的纖維。

進一步的研究和優(yōu)化導(dǎo)致了更小直徑纖維的打印成功。通過3DPX技術(shù)，研究人員成功打印出直徑最小至1.5微米的纖維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最大長寬比約為3400倍的超高長寬比結(jié)構(gòu)。這一成就得益于支撐凝膠的設(shè)計和擠出油墨與周圍屈服應(yīng)力浴之間的溶劑交換，這促進了擠出聚合物溶液的快速凝固。

3DPX技術(shù)的另一個顯著優(yōu)勢是在材料選擇上的廣泛性。研究者們展示了使用多種市售聚合物和添加劑，包括熱塑性彈性體、聚苯乙烯和PVC，以及導(dǎo)電CNT聚合物納米復(fù)合材料。此外，他們還改進了在硅彈性體基底上生產(chǎn)毛發(fā)陣列的方法，實現(xiàn)了直徑小于2微米、長度超過1500微米的纖維。

△3DPX的打印參數(shù)和可擴展性

利用3DPX拓寬材料適用性

研究團隊測試了多種不同模量特性的聚合物，包括SEBS、SIS、PVA、PS和PVC，以及導(dǎo)電的碳納米管（CNT）聚合物納米復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明，所有選定的聚合物都能在3DPX技術(shù)中快速固化，并通過30微米的噴嘴擠出。這表明3DPX技術(shù)不僅適用于各種化學(xué)性質(zhì)的材料，而且能夠處理具有不同機械模量的材料。

此外，研究者們還展示了使用3DPX技術(shù)打印的微米級直徑螺旋線圈和其它復(fù)雜幾何形狀的纖維結(jié)構(gòu)，證明了這項技術(shù)在打印精度和復(fù)雜度上的優(yōu)勢。例如，他們成功打印出了直徑小于2微米的線圈，以及具有高長寬比的纖維結(jié)構(gòu)，長寬比達到3414倍。

△使用3DPX打印細毛陣列

該研究還成功實現(xiàn)了在基底上打印固定毛發(fā)結(jié)構(gòu)，這些毛發(fā)由固定的根部和延伸出錨定表面的纖維組成。這些毛發(fā)陣列展示了高度的柔韌性和恢復(fù)力，能夠承受外力作用后恢復(fù)原狀。

3DPX技術(shù)的這些實驗結(jié)果標(biāo)志著在3D打印領(lǐng)域的一個重大進步，為制造具有復(fù)雜幾何形狀和高長寬比的微米級纖維結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。研究者們相信，這項技術(shù)在復(fù)制自然啟發(fā)的纖維結(jié)構(gòu)方面具有巨大的未來應(yīng)用潛力，特別是在生物模擬、微流體裝置和先進材料開發(fā)等領(lǐng)域。

總的來說，新的3D打印研究不僅在技術(shù)上取得了重大突破，更為仿生功能應(yīng)用的未來鋪平了道路。