Nature 子刊！仿生超細(xì)纖維的快速制造，直徑小至1.5µm

2025年2月，南極熊獲悉，來(lái)自伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員開發(fā)出一種新方法來(lái)制造直徑小至 1.5 µm 的超細(xì)纖維，為復(fù)制生物纖維結(jié)構(gòu)提供了一種可擴(kuò)展的方法。

這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在Nature Communications上，劍橋大學(xué)、查普曼大學(xué)和弘益大學(xué)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(guò)嵌入式溶劑交換快速 3D 打印細(xì)纖維、連續(xù)纖維和軟纖維）。此項(xiàng)技術(shù)被稱為快速溶劑交換 3D 打印 (3DPX)，可以制造長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十厘米的纖維，在機(jī)器人、醫(yī)學(xué)和先進(jìn)材料領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

研究背景
自然界中，蜘蛛絲、纖毛、鲇魚黏液絲等纖維結(jié)構(gòu)憑借其高強(qiáng)度、柔韌性和功能性，成為生物進(jìn)化中的杰作。然而，人工制造此類高長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑比）的微米級(jí)三維纖維一直面臨重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)光刻技術(shù)和嵌入式打印雖能制造微柱結(jié)構(gòu)，但受限于二維形狀、低長(zhǎng)徑比（通常<50）及材料選擇單一，難以復(fù)現(xiàn)生物纖維的復(fù)雜形態(tài)與性能。



△使用嵌入式 3D 打印制作的螺旋結(jié)構(gòu)

研究目標(biāo)
美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，旨在開發(fā)一種高速、多材料兼容的3D打印技術(shù)，突破微米級(jí)纖維制造的瓶頸，實(shí)現(xiàn)直徑低至1.5微米、長(zhǎng)徑比超千級(jí)的自由形態(tài)纖維結(jié)構(gòu)，為生物仿生材料與器件提供新工具。

研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新

●研究團(tuán)隊(duì)提出“嵌入式溶劑交換3D打印（3DPX）”技術(shù)，核心突破在于溶劑交換快速固化機(jī)制與高屈服應(yīng)力凝膠支撐介質(zhì)的結(jié)合：


△通過(guò)溶劑交換(3DPX)嵌入3D打印的機(jī)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(kuò)散至凝膠，觸發(fā)聚合物相分離并形成固化外殼，抑制毛細(xì)管斷裂。固化速率達(dá)2.33微米/秒，比傳統(tǒng)“彎月面打印”快50萬(wàn)倍。

●智能凝膠設(shè)計(jì)：凝膠在打印頭移動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為流體，而在重力或毛細(xì)力下呈固體，支撐未完全固化的纖維，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

●多材料兼容性：支持從軟彈性體（模量5 MPa）到硬質(zhì)塑料（模量3500 MPa）的7類聚合物，還包括導(dǎo)電碳納米管復(fù)合材料，拓寬了功能化應(yīng)用場(chǎng)景。

●可擴(kuò)展性：多噴嘴打印系統(tǒng)展示了一次制造多個(gè)結(jié)構(gòu)的能力，九噴嘴歧管可并行產(chǎn)生相同的打印件。這種能力增強(qiáng)了效率和精度同樣重要的工業(yè)應(yīng)用。

與現(xiàn)有方法相比，3DPX 創(chuàng)下了直接墨水書寫特征尺寸的新紀(jì)錄：
1、過(guò)去的嵌入式 3D 打印技術(shù)（例如使用可固化硅橡膠的技術(shù)）很難達(dá)到 8 µm 以下，而這種方法將其降至 1.5 µm。
2、與電流體動(dòng)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(jìn)行自由形狀、無(wú)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(zhǎng)度7511微米的螺旋纖維（長(zhǎng)徑比3414），創(chuàng)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(jié)構(gòu)

●復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：包括2D螺旋、3D線圈及仿生毛發(fā)陣列，單次打印可同步操作9個(gè)噴嘴，展示規(guī)�；�生產(chǎn)潛力。

●生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用驗(yàn)證：在硅膠基底上打印錨定“仿生毛發(fā)”，直徑28微米，可承受機(jī)械刷動(dòng)并恢復(fù)原狀，為微針給藥、柔性傳感器奠定基礎(chǔ)。

未來(lái)展望
此項(xiàng)技術(shù)有望推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域革新：

●醫(yī)療領(lǐng)域：超細(xì)微針陣列用于無(wú)痛藥物遞送，或柔性傳感器監(jiān)測(cè)生理信號(hào)。

●機(jī)器人技術(shù)：仿水生動(dòng)物纖毛的觸覺傳感器，提升水下機(jī)器人環(huán)境感知能力。

●材料科學(xué)：結(jié)合功能材料（如導(dǎo)電、磁性顆粒），開發(fā)智能響應(yīng)纖維結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將優(yōu)化纖維從凝膠中的無(wú)損提取工藝，并探索更復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu)的打印，進(jìn)一步逼近自然界的精密設(shè)計(jì)。