研究人員利用嵌入式3D打印技術復制精細天然纖維

2025年2月18日，南極熊獲悉，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員利用嵌入式3D打印技術成功復制自然界中的精細纖維結構，例如蜘蛛絲和盲鰻黏液中的微米級纖維。這種技術通過溶劑交換方法克服了傳統(tǒng)3D打印的限制，實現(xiàn)了高達1.5微米的打印分辨率，并可用于制造復雜的幾何形狀。

來源：伊利諾伊大學厄巴納-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，可用于實現(xiàn)傳感和結構功能。伊利諾伊大學的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纖維背后的科學原理。

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中。在空氣中打印時，模型必須定向，以便每一層都可以支撐下一層，或者對于具有復雜結構的結構，可以打印可拆卸的支撐結構并在之后丟棄。在凝膠中打印則不需要這些結構，因為凝膠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 - 從而允許凝膠重復用于多次打印。

然而，嵌入式 3D 打印以前很難打印非常細的物體，這讓人想起了在空氣中進行 3D 打印。直徑小于 16 微米的細絲會因表面張力而在固化過程之前迅速斷裂。研究團隊希望打印直徑更細的細絲，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、專注于設計非牛頓凝膠的Hossain說：“自然界中，有許多絲狀結構的例子，其直徑只有幾微米。我們知道這一定是可能的?！?/div>

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。這可以防止細絲斷裂，因為它幾乎瞬間就凝固了?！蓖ㄟ^這種方法，該團隊實現(xiàn)了 1.5 微米的分辨率。他們還嘗試通過多個噴嘴并行打印——從而實現(xiàn)快速制造。

第一作者、現(xiàn)任韓國檀國大學纖維融合材料工程系教員的 Wonsik Eom 博士曾是 Tawfick 實驗室的博士后研究員。專注于設計溶劑交換過程的 Eom 說道：“這項研究克服了 3D 打印技術長期以來的限制——打印直徑小至一微米的軟材料。實現(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)狀結構的技術基礎，它們具有非凡的功能?！?/div>

研究人員之所以對嵌入式 3D 打印感興趣，是因為它有可能復制盲鰻黏液的特性，由于存在微米級線束，盲鰻黏液的機械性能優(yōu)于其他凝膠。埃沃爾特與查普曼大學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已有十多年。

Eom 說道：“我們采用嵌入式 3D 打印技術來模擬這些線。通過研究，我們發(fā)現(xiàn)開發(fā)高分辨率嵌入式 3D 打印技術使我們能夠復制比我們最初預期更廣泛的自然結構?！?/div>

Ewoldt 說道：“這項研究與我團隊更廣泛的研究愿景有關——利用非牛頓流體和軟固體的復雜機械行為實現(xiàn)新穎的工程功能。這一觀點融合了力學的基礎領域，從流體力學到固體力學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 打印機制造出具有精細直徑的復雜 3D 毛發(fā)。”他一直在努力展示這種方法的實用性和各種應用。通過他們的技術，研究人員計劃進行更先進的材料開發(fā)。

Hossain說：“這種方法具有巨大的潛力，因為超細長纖維可以與功能材料相結合，從而復制出受自然啟發(fā)的纖維結構。”

Eom 說道：“我們對打印目前使用傳統(tǒng)半導體制造技術無法實現(xiàn)的精細微結構特別感興趣。”