Nature 子刊：研究人员通过3DPX技术打印微米级毛发
导读：生物界中的毛发和纤维结构在传感和结构功能方面至关重要，如甲虫毛发、哺乳动物胡须、蜘蛛丝和盲鳗粘液纤维等。然而，在制造领域，传统的制造工艺复制这些微米级纤维结构一直是一项挑战。
2025年1月21日，一项名为嵌入式溶剂交换（3DPX）的3D打印技术成功克服了这一难题。研究团队展示了通过这项技术实现的具有自由形状轨迹的3D打印毛发结构，纤维直径可细至1.5微米，并且能够实现连续长度。该技术的核心在于将喷嘴嵌入微粒凝胶浴中，利用凝胶的屈服应力流变学特性，使得纤维能够以仿生轨迹自由放置。3DPX技术的另一个关键优势在于它的快速固化的能力，通过溶剂交换使得挤出的聚合物溶液以2.33微米/秒的速率径向固化，显著增强了弹性平台模量，防止了毛细管现象导致的纤维断裂。此外，3DPX技术在材料选择上具有极大的灵活性，包括使用市售热塑性聚合物和纳米复合材料进行打印。
研究背景
在自然界中，许多生物利用毛发状、纤维状和长线状结构来实现特定的功能，例如蜘蛛丝的多功能性、静纤毛和微绒毛在细胞表面的作用、以及细菌菌毛的多功能性。这些生物结构的复杂性和功能性激发了工程师和科学家开发新的工程材料。然而，现有的制造技术无法复制自然界中观察到的具有三维几何形状和高长宽比（20-1000微米）的纤维结构。尽管光刻和微加工技术为制造微柱提供了可能，但它们仅限于二维结构，并且受到晶圆厚度和纵横比的限制。
为了解决这些限制，研究者们探索了通过3D打印技术来复制这些复杂的3D纤维或分支结构。一种称为嵌入式3D打印的方法能够通过使用具有屈服应力流变性的支撑凝胶来解决直接书写墨水过程中打印结构因重力而变形的问题。这种方法允许打印出更细、更长的纤维结构，扩大了可打印材料的范围，包括模量约为1MPa的弹性油墨，从而能够准确复制各种自然结构的功能形态。
3DPX技术实现微米级纤维结构
实验过程中，研究团队采用了凝胶嵌入打印技术，这允许打印出直径在20至50微米范围内的纤维。然而，由于表面张力导致的毛细管现象，更小直径的纤维容易断裂。为了解决这一问题，研究者们通过溶剂匹配技术显著降低了界面张力，成功打印出了直径为8微米的纤维。
进一步的研究和优化导致了更小直径纤维的打印成功。通过3DPX技术，研究人员成功打印出直径最小至1.5微米的纤维结构，实现了最大长宽比约为3400倍的超高长宽比结构。这一成就得益于支撑凝胶的设计和挤出油墨与周围屈服应力浴之间的溶剂交换，这促进了挤出聚合物溶液的快速凝固。3DPX技术的另一个显著优势是在材料选择上的广泛性。研究者们展示了使用多种市售聚合物和添加剂，包括热塑性弹性体、聚苯乙烯和PVC，以及导电CNT聚合物纳米复合材料。此外，他们还改进了在硅弹性体基底上生产毛发阵列的方法，实现了直径小于2微米、长度超过1500微米的纤维。
利用3DPX拓宽材料适用性
研究团队测试了多种不同模量特性的聚合物，包括SEBS、SIS、PVA、PS和PVC，以及导电的碳纳米管（CNT）聚合物纳米复合材料。实验结果表明，所有选定的聚合物都能在3DPX技术中快速固化，并通过30微米的喷嘴挤出。这表明3DPX技术不仅适用于各种化学性质的材料，而且能够处理具有不同机械模量的材料。此外，研究者们还展示了使用3DPX技术打印的微米级直径螺旋线圈和其它复杂几何形状的纤维结构，证明了这项技术在打印精度和复杂度上的优势。例如，他们成功打印出了直径小于2微米的线圈，以及具有高长宽比的纤维结构，长宽比达到3414倍。
该研究还成功实现了在基底上打印固定毛发结构，这些毛发由固定的根部和延伸出锚定表面的纤维组成。这些毛发阵列展示了高度的柔韧性和恢复力，能够承受外力作用后恢复原状。3DPX技术的这些实验结果标志着在3D打印领域的一个重大进步，为制造具有复杂几何形状和高长宽比的微米级纤维结构提供了新的可能性。研究者们相信，这项技术在复制自然启发的纤维结构方面具有巨大的未来应用潜力，特别是在生物模拟、微流体装置和先进材料开发等领域。
总的来说，新的3D打印研究不仅在技术上取得了重大突破，更为仿生功能应用的未来铺平了道路。
(责任编辑：admin)
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