比蜘蛛丝细3倍！全新溶剂交换机制微纳3D打印

  上面提到的自然界中的微米级纤维结构无处不在，承担着关键的感知和结构功能。

  2025年1月20日，伊利诺伊大学香槟分校和剑桥大学联合团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表的最新研究，为这一难题带来了突破性的解决方案。

  这项名为溶剂交换嵌入式3D打印（3DPX）的新技术，不仅实现了1.5微米的超精细打印，还将打印速度提升至每秒5毫米，比现存技术（弯液面打印）快了惊人的50万倍。

  更重要的是，这项技术还展现出前所未有的材料兼容性，使得从柔性到刚性的广泛材料都能实现超精细打印。

  它不仅解决了精细结构制造的效率瓶颈，更为仿生传感器、微型机器人、生物医学器件等前沿应用领域开辟了新的可能。

  当打印尺寸降至微米级别时，表面张力会导致液态材料断裂成液滴，使得连续打印变得极其困难。

  如图1所示（Fig. 1a-b），该技术的核心在于将打印过程置于特制的支撑凝胶中进行，并利用溶剂交换原理实现材料的快速固化。

  在视频中，我们大家可以清晰地看到，当5微米喷嘴挤出聚合物溶液时，材料能够保持连续的丝状结构，并快速固化成型。

  这与传统方法形成鲜明对比，在没有溶剂交换的情况下，材料会迅速断裂成液滴（Fig. 1b）。

  在这个过程中，研究团队选用了SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物）作为示范材料，甲苯作为溶剂，乙醇作为非溶剂。

  当聚合物溶液被挤出到含有乙醇的支撑凝胶中时，甲苯会迅速向凝胶扩散，同时部分乙醇会扩散进入丝材。

  这种双向的溶剂交换过程导致聚合物快速浓缩，形成稳定的固态结构。如图d-g所示。

  特别有必要注意一下的是，25wt%的SEBS溶液展现出最优的固化性能，这是因为较高的初始聚合物浓度使其更接近固化点，只需要较少的溶剂被置换就能实现固化。

  如图3g-i所示，研究团队开发了一种具有特定屈服应力的水凝胶，它在低应力下表现为固体，而在高应力下则表现为流体。

  在静止状态下，凝胶则能够有效支撑已打印的结构，防止重力和表面张力导致的变形

  更令人印象非常深刻的是，研究团队通过精确调控乙醇含量（70%），在保持支撑性能的同时确保了最佳的溶剂交换效率。

  这种优化使得打印速度能达到惊人的5mm/s，同时保持着微米级的精确度。

  只要存在合适的溶剂-非溶剂对，任何可溶性聚合物都能通过这一种方式进行打印。

  研究团队对打印工艺进行了系统性优化，通过精确控制各项参数，实现了前所未有的打印精度和效率。

  通过使用内径为5μm和10μm的玻璃喷嘴作对比实验，研究之后发现一个有趣的现象：打印出的纤维直径会随时间逐渐收缩。

  例如，10μm喷嘴打印的纤维从初始的9.3μm收缩到7.3μm，5μm喷嘴则从4.5μm收缩到3.8μm。

  这种瘦身效应源于溶剂交换过程中的体积收缩，实际上有助于获得比喷嘴直径更细的纤维。

  如图4i所示，研究团队成功将打印速度提升至5mm/s，这比现有的微米级打印技术（弯液面固化打印）快了惊人的50万倍。

  如图4d-e所示，通过调节凝胶配方，研究团队获得了从1Pa到48Pa不等的屈服应力。

  实验表明，48Pa的屈服应力最适合高质量打印：既能提供足够的支撑力防止纤维变形，又不会影响喷头的正常移动。

  打印喷头先向下穿过凝胶层，插入PDMS层，然后在开始挤出材料的同时缓慢提升。

  如图6中所示，当用金属丝扫过毛发时，它们能够弹性变形并恢复原状，这与自然毛发的行为极其相似。

  如图4j-k所示，他们成功实现了9个喷嘴同时打印，每个喷嘴都能保持稳定的微米级精度。

  这一突破意味着3DPX技术不仅能实现高精度制造，还具备规模化生产的潜力。

  通过与现存技术的对比（如图5c所示），3DPX技术的突破性优势更加凸显。

  过去的技术如藻酸盐、明胶甲基丙烯酸酯(GelMA)、PVA等材料打印，特征尺寸在200-10μm范围；

  此前最好的记录是使用硅橡胶实现的8μm（标记为the best prior work）；

  也就是说，这个新的微纳打印技术除了远超过去的3D打印在制造纤维结构表现的同时，更是制造出比很多自然生物纤维更细的结构！

  这些突破不仅体现在数据上，正如文章作者所言，这项技术有望成为复制自然界精细纤维结构的通用方法。

  看到这里，相信我们已感受到这个新的3D打印技术的威力，从应用角度，AM易道再来分析下可能性。

  如图6a-d所示，研究团队开发出结构与生物体的毛发惊人地相似，根部牢固嵌入基底，而游离端则能自由活动。

  实验证明（如SEM图像所示），打印出的毛发阵列具有76±1μm的均匀直径和出色的机械稳定性。

  图6d展示了一个关键创新，通过掺入荧光颜料的聚合物墨水打印出的发光毛发阵列。

  这种荧光标记不仅便于观察和表征，更重要的是证明了该技术可以通过材料改性实现功能化设计。

  这种精确控制几何形态的能力，为微流控器件和生物医学器械的定制化设计提供了新的可能。

  AM易道认为，这些参数的突破不仅刷新了技术纪录，更重要的是为实际应用提供了充分的设计空间。

  例如，在复合材料增强领域，这种超高纵横比的微细纤维能轻松实现更有效的界面结合和力学增强。

  在生物医学领域，精确控制的几何形状和尺寸为药物递送系统和组织工程支架的设计提供了新的工具。

  正如自然界在数亿年进化中创造出令人惊叹的精密结构，人类也在不断突破制造的极限。

  AM易道认为，这项技术的意义不仅在于更细的数字突破，更重要的是它展现了一种全新的制造哲学。

  在自然界中，盲鳗能在不到400毫秒内释放出长达150毫米的超细纤维，这种快速且精细的能力正是3DPX技术所追求的。

  通过创新的溶剂交换机制，这项3D打印技术成功将快速制造与精细结构统一起来，展现了人类在向自然学习基础上的创造性超越。

  从模仿自然到理解自然，再到超越自然，人类正在将对自然规律的认知转化为突破性的工程创新。