2026年1月15日，昨日国际顶级学术期刊《nature》在线发表了一项3D打印领域的重磅成果——来自德国马克斯·普朗克智能系统研究所、瑞士苏黎世联邦理工学院、中国北京航空航天大学大学、香港科技大学等机构的研究团队，成功开发出“3D打印低压驱动的水凝胶微型纤毛致动器（microactuators）”。这项技术突破了传统人工纤毛在微型化、动态控制和生物兼容性上的瓶颈，为微流控芯片、生物医疗机器人、精密药物递送等领域开辟了全新路径，堪称3D打印“微尺度智造”的里程碑事件。
仿生自然：人工纤毛的“卡脖子”难题，被3D打印破解
在生物界，微米级的天然纤毛是“高效微操作大师”——海星幼虫靠它游泳、草履虫靠它移动、人体呼吸道靠它清除黏液，甚至胚胎发育的对称性建立也离不开它。这些纤毛能通过非往复3D运动和动态可调的集体模式，在低雷诺数流体环境（如人体体液）中精准完成物质运输、环境感知等任务。
但长期以来，人工复刻这种“生物奇迹”面临三大核心难题：
1. 微型化瓶颈：传统气动、磁驱动的人工纤毛，要么体积过大（厘米级），要么难以实现微米级密集排列；
2. 控制难题：多数人工纤毛只能做2D运动，且集体运动模式难以动态调整，无法模拟天然纤毛的“.metachronal wave（协调波动）”；
3. 环境兼容性差：超声驱动、静电驱动等技术无法在离子溶液（如人体体液）中工作，且耐用性不足，难以满足生物医疗场景需求。
而此次研究团队通过双光子聚合（TPP）3D打印技术，直接在纳米尺度重构了水凝胶的多孔结构，一举攻克了这些难题。
核心突破：3D打印+水凝胶，实现“低压、高速、耐用”三重优势
这项研究的核心是丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶（AAc-co-AAm）的3D打印精密调控，以及基于离子迁移的驱动机制创新。其技术亮点可概括为“三小、三快、三强”：
1. 结构设计：纳米级孔隙，解锁离子驱动新机制
研究团队通过优化TPP 3D打印的切片、孵化参数（如300nm切片间距、200nm孵化间距），将水凝胶的孔隙从传统毫米级水凝胶的“几十微米”缩小到20-80纳米。这种纳米孔隙带来两个关键改变：
- 极大提升了双电层（EDL）的有效表面积，增强离子在溶液中的迁移效率和电渗流；
- 让水凝胶内部的离子迁移取代了传统的“界面渗透压驱动”，响应速度提升100倍以上。
在1.5V低压驱动下（远低于电解阈值，避免溶液电解），水凝胶内部的H⁺或Na⁺会快速迁移，导致局部收缩或膨胀，从而驱动纤毛弯曲——在去离子水中向阴极弯曲，在生理盐水（模拟体液）中向阳极弯曲，完美适配不同应用场景。
2. 性能参数：毫米级响应，33万次循环耐用
此次开发的水凝胶微型纤毛，尺寸精准可控（直径2-10μm，高度18-90μm），性能全面超越传统人工纤毛：
响应速度：弯曲运动在毫秒级完成，最高可实现40Hz的3D旋转弯曲（相当于每秒“拍打”40次）；
耐用性：连续驱动33万次后，性能衰减仍低于30%，远超电化学驱动纤毛“仅千次循环”的寿命；
兼容性：可在去离子水、生理盐水、甚至人体唾液、血清、小鼠血浆中稳定工作，解决了传统技术“怕离子溶液”的痛点。
更关键的是，团队通过微电极阵列实现了单根纤毛的独立控制——25根纤毛可组成“可编程阵列”，甚至能拼出“HKUST”“MPIIS”等字母；10⁶根纤毛的大规模阵列也可通过传统光刻技术制备，兼顾“精准控制”与“规模化生产”。
3. 应用场景：从仿生机器人到微流控，全面开花
基于这些优势，研究团队展示了多项极具潜力的应用，让“微尺度智造”从实验室走向实用：
仿生机器人：复刻海星幼虫的纤毛运动，生成类似的涡流阵列，可用于微型游泳机器人的推进，或模拟生物捕食、避障行为；
微流控操控：通过调控纤毛的旋转方向和频率，可实现流体的定向运输（如从右到左、从上到下）和粒子捕获，精度达微米级，未来可用于芯片实验室（Lab-on-a-Chip）的样本处理；
微机械集成：将水凝胶纤毛与聚酰亚胺柔性基板、微型机械结构结合，可实现“拍打式微型机器”，为微创医疗机器人（如靶向药物递送机器人）提供新的驱动方案。
行业意义：3D打印打开“微尺度智造”新空间
此次成果之所以能登上《Nature》，不仅在于技术本身的突破，更在于它为3D打印在“微尺度功能器件”领域的应用提供了全新范式：
材料-结构-功能一体化：通过TPP 3D打印直接调控水凝胶的纳米结构，实现“打印即功能”，无需后续组装，打破了传统“先造结构、再赋功能”的局限；
跨学科融合：结合了3D打印、水凝胶材料、电化学、流体力学等多学科技术，为“生物启发工程”提供了可复用的技术框架；
医疗场景适配：低压驱动、生物兼容、可降解（水凝胶材料）等特性，使其在体内医疗场景（如肠道机器人、血管清障）中具备天然优势。
对于3D打印行业而言，这项研究进一步拓展了技术的“能力边界”——从宏观的零件制造，到微观的“功能器件智造”，3D打印正在成为“精准控制物质结构与性能”的核心工具。未来，随着水凝胶配方的优化（如引入磺酸基团提升极性）和电极设计的改进，这类微型纤毛的性能还将进一步提升，有望在“单细胞操作”“神经芯片”等更精密的领域发挥作用。
结语
从模仿自然纤毛的运动，到超越自然的性能，3D打印水凝胶微型纤毛的突破，再次证明了“生物启发+先进制造”的巨大潜力。随着技术的成熟，我们或许很快会看到：毫米级的机器人在血管中“游泳”，芯片上的纤毛自动完成新冠样本的检测，甚至人工纤毛帮助修复受损的人体呼吸道功能——而这一切，都始于3D打印对“纳米结构”的精准掌控。
这项成果也提醒我们：3D打印的未来不仅在于“更大、更快、更便宜”，更在于“更精、更巧、更智能”。在微观世界，3D打印正开启一场新的“智造革命”。
来源：南极熊
0 留言