Nature 子刊！仿生超細纖維的快速制造，直徑小至1.5µm
2025年2月，來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員開發出一種新方法來制造直徑小至 1.5 µm 的超細纖維，為復制生物纖維結構提供了一種可擴展的方法。 這項研究已經發表在Nature Communications上，劍橋大學、查普曼大學和弘益大學研究人員也參與其中，題目為Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange（通過嵌入式溶劑交換快速 3D 打印細纖維、連續纖維和軟纖維）。此項技術被稱為快速溶劑交換 3D 打印 (3DPX)，可以制造長度達數十厘米的纖維，在機器人、醫學和先進材料領域具有潛在應用。
研究背景
自然界中，蜘蛛絲、纖毛、鲇魚黏液絲等纖維結構憑借其高強度、柔韌性和功能性，成為生物進化中的杰作。然而，人工制造此類高長徑比（長度與直徑比）的微米級三維纖維一直面臨重大挑戰。傳統光刻技術和嵌入式打印雖能制造微柱結構，但受限于二維形狀、低長徑比（通常<50）及材料選擇單一，難以復現生物纖維的復雜形態與性能。
△使用嵌入式 3D 打印制作的螺旋結構
研究目標
美國伊利諾伊大學香檳分校等團隊聯合攻關，旨在開發一種高速、多材料兼容的3D打印技術，突破微米級纖維制造的瓶頸，實現直徑低至1.5微米、長徑比超千級的自由形態纖維結構，為生物仿生材料與器件提供新工具。
研究內容與創新
●研究團隊提出“嵌入式溶劑交換3D打�。�3DPX）”技術，核心突破在于溶劑交換快速固化機制與高屈服應力凝膠支撐介質的結合：
△通過溶劑交換(3DPX)嵌入3D打印的機理
●溶劑交換固化：打印墨水（聚合物溶液）注入含非溶劑的凝膠中，溶劑迅速擴散至凝膠，觸發聚合物相分離并形成固化外殼，抑制毛細管斷裂。固化速率達2.33微米/秒，比傳統“彎月面打印”快50萬倍。
●智能凝膠設計：凝膠在打印頭移動時表現為流體，而在重力或毛細力下呈固體，支撐未完全固化的纖維，確保結構穩定性。
●多材料兼容性：支持從軟彈性體（模量5 MPa）到硬質塑料（模量3500 MPa）的7類聚合物，還包括導電碳納米管復合材料，拓寬了功能化應用場景。
●可擴展性：多噴嘴打印系統展示了一次制造多個結構的能力，九噴嘴歧管可并行產生相同的打印件。這種能力增強了效率和精度同樣重要的工業應用。
與現有方法相比，3DPX 創下了直接墨水書寫特征尺寸的新紀錄：
1、過去的嵌入式 3D 打印技術（例如使用可固化硅橡膠的技術）很難達到 8 µm 以下，而這種方法將其降至 1.5 µm。
2、與電流體動力 (EHD) 打印和氣溶膠噴射打印不同，后者往往速度較慢且需要外部支撐，而 3DPX 工作速度更快，并允許進行自由形狀、無支撐打印。
研究成果
●極限尺寸突破：成功打印直徑1.5微米、長度7511微米的螺旋纖維（長徑比3414），創嵌入式3D打印最小特征尺寸記錄。
△3DPX的功能：使用多種材料，可制造多中結構
●復雜結構實現：包括2D螺旋、3D線圈及仿生毛發陣列，單次打印可同步操作9個噴嘴，展示規�；a潛力。
●生物醫學應用驗證：在硅膠基底上打印錨定“仿生毛發”，直徑28微米，可承受機械刷動并恢復原狀，為微針給藥、柔性傳感器奠定基礎。
未來展望
此項技術有望推動多個領域革新：
●醫療領域：超細微針陣列用于無痛藥物遞送，或柔性傳感器監測生理信號。
●機器人技術：仿水生動物纖毛的觸覺傳感器，提升水下機器人環境感知能力。
●材料科學：結合功能材料（如導電、磁性顆粒），開發智能響應纖維結構。
研究團隊表示，下一步將優化纖維從凝膠中的無損提取工藝，并探索更復雜層級結構的打印，進一步逼近自然界的精密設計。
(責任編輯：admin)
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