研究背景
1.自然界纖維結(jié)構(gòu)的啟示：自然界中存在如毛發(fā)、觸須、蜘蛛絲等多種纖維結(jié)構(gòu)，執(zhí)行著傳感、結(jié)構(gòu)支撐等功能，其獨(dú)特性能為工程材料研發(fā)提供思路，推動(dòng)科學(xué)家探索模仿這些結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。
2.現(xiàn)有制造技術(shù)的局限：在生物啟發(fā)的工程應(yīng)用中，微納尺度毛發(fā)陣列需求大，如在機(jī)器人傳感、醫(yī)療給藥、微流控等領(lǐng)域。但現(xiàn)有光刻和微加工技術(shù)只能制造 2D 直幾何結(jié)構(gòu)，且高度和縱橫比受限；傳統(tǒng) 3D 打印方法制造的細(xì)絲直徑大，難以滿足需求。
3.嵌入式 3D 打印的發(fā)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(xì)絲直徑受表面張力等因素限制，目前最小只能達(dá)到 8μm，無法滿足對更細(xì)纖維的需求。
    來自美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校 Sameh H. Tawfick教授團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出基于嵌入式溶劑交換的 3D 打印（3DPX）技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)通過精確調(diào)控溶劑交換過程中的材料參數(shù)，優(yōu)化支撐凝膠的性質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了從多種材料中打印出直徑僅 1.5μm、高縱橫比的精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)。解決了傳統(tǒng) 3D 打印技術(shù)在制造極細(xì)纖維時(shí)易受毛細(xì)管作用影響導(dǎo)致纖維斷裂，以及可打印材料范圍窄、難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)高精度打印的痛點(diǎn)。相關(guān)工作以 “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange” 為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
 

研究方法
1.構(gòu)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(gòu)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(shí)發(fā)生溶劑交換，實(shí)現(xiàn)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(yīng)力的支撐凝膠。用旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。
3.3D 打印實(shí)驗(yàn)：利用定制 3D 打印機(jī)，在支撐凝膠中進(jìn)行單根細(xì)絲、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和毛發(fā)陣列打印實(shí)驗(yàn)，研究不同參數(shù)對打印效果的影響。
研究結(jié)果
1. 成功實(shí)現(xiàn)精細(xì)纖維打印：通過溶劑交換，實(shí)現(xiàn)了 1.5μm 的細(xì)絲打印（圖 1g），打印的圓錐線圈（圖 1d、e、f）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，驗(yàn)證了該方法在制造精細(xì)結(jié)構(gòu)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(gòu)建三元相圖（圖 2a），發(fā)現(xiàn)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(tài)和黏度變化規(guī)律。監(jiān)測固化過程（圖 3d - f），發(fā)現(xiàn)高濃度溶液固化快，為打印細(xì)纖維提供理論依據(jù)。
 

3. 掌握打印參數(shù)影響規(guī)律：打印參數(shù)和凝膠屈服應(yīng)力對細(xì)絲直徑和形狀有顯著影響（圖 4）。隨著打印速度增加，細(xì)絲直徑減小；凝膠屈服應(yīng)力提高，能更好地控制細(xì)絲位置和形狀。該方法具備良好的可擴(kuò)展性，能夠提高打印速度并實(shí)現(xiàn)多噴嘴打印。
 

4. 材料與結(jié)構(gòu)拓展：多種聚合物及碳納米管復(fù)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(jié)構(gòu)（圖 5d - g），充分證明該技術(shù)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力。此外，在基底上成功打印毛發(fā)結(jié)構(gòu)（圖 6），制備出不同形狀和高縱橫比的毛發(fā)，展示出在仿生應(yīng)用方面的巨大潛力。
 

研究結(jié)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(dá) 7511）、細(xì)絲直徑低至 1.5μm 的仿生纖維結(jié)構(gòu)。通過研究溶劑交換熱力學(xué)、固化速率和材料流變性能，實(shí)現(xiàn)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(tài)和無支撐結(jié)構(gòu)，克服了以往方法的局限。
挑戰(zhàn)與展望
     目前，從凝膠中無損移除極細(xì)且高縱橫比的毛發(fā)仍是挑戰(zhàn)。未來，可將超細(xì)、長纖維陣列與功能材料結(jié)合，用于觸覺傳感器、藥物遞送微針和微流控設(shè)備等領(lǐng)域，進(jìn)一步拓展該 3D 打印方法的應(yīng)用范圍，提升其功能性和實(shí)用性。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1

(責(zé)任編輯：admin)

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