研究人员利用嵌入式3D打印技术复制精细天然纤维

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2025年2月18日，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用嵌入式3D打印技术成功复制自然界中的精细纤维结构，例如蜘蛛丝和盲鳗黏液中的微米级纤维。这种技术通过溶剂交换方法克服了传统3D打印的限制，实现了高达1.5微米的打印分辨率，并可用于制造复杂的几何形状。

来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。

通过模仿自然界中生物的纤维特征，例如纤毛、蜘蛛丝和盲鳗黏液丝束等，可用于实现传感和结构功能。伊利诺伊大学的MechSE 教授 Sameh Tawfick 和 Randy Ewoldt、博士候选人 M. Tanver Hossain 和外部合作者利用他们尖端的嵌入式3D打印技术解决了这一需求。他们的研究成果以题为“通过嵌入式溶剂交换快速3D打印细小、连续和柔软的纤维/Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange”的论文发表在《自然通讯》期刊上，主要讨论了他们采用生物启发方法在凝胶中快速打印细纤维背后的科学原理。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-55972-1

与传统的 3D 打印方法（在环境空气中逐层沉积材料）不同，嵌入式 3D 打印将材料沉积在水凝胶等支撑介质中。在空气中打印时，模型必须定向，以便每一层都可以支撑下一层，或者对于具有复杂结构的结构，可以打印可拆卸的支撑结构并在之后丢弃。在凝胶中打印则不需要这些结构，因为凝胶本身可以支撑打印材料的形状 - 从而可以更高效地打印螺旋弹簧等复杂形状。此外，打印部件可以在凝胶中固化，然后从凝胶中取出 - 从而允许凝胶重复用于多次打印。

然而，嵌入式 3D 打印以前很难打印非常细的物体，这让人想起了在空气中进行 3D 打印。直径小于 16 微米的细丝会因表面张力而在固化过程之前迅速断裂。研究团队希望打印直径更细的细丝，以匹配自然界中发现的纤维，例如蜘蛛产生的丝或盲鳗挤出的粘稠防御丝。论文第二作者、专注于设计非牛顿凝胶的Hossain说：“自然界中，有许多丝状结构的例子，其直径只有几微米。我们知道这一定是可能的。”

研究人员采用了一种溶剂交换方法来抑制表面张力引起的毛细管断裂。Hossain说：“我们修改了凝胶和打印墨水，这样墨水一沉积在凝胶中就会固化。这可以防止细丝断裂，因为它几乎瞬间就凝固了。”通过这种方法，该团队实现了 1.5 微米的分辨率。他们还尝试通过多个喷嘴并行打印——从而实现快速制造。

第一作者、现任韩国檀国大学纤维融合材料工程系教员的 Wonsik Eom 博士曾是 Tawfick 实验室的博士后研究员。专注于设计溶剂交换过程的 Eom 说道：“这项研究克服了 3D 打印技术长期以来的限制——打印直径小至一微米的软材料。实现如此高的打印分辨率意味着我们现在拥有了模仿自然界中发现的微纤维和毛发状结构的技术基础，它们具有非凡的功能。”研究人员之所以对嵌入式 3D 打印感兴趣，是因为它有可能复制盲鳗黏液的特性，由于存在微米级线束，盲鳗黏液的机械性能优于其他凝胶。埃沃尔特与查普曼大学的外部合作者道格拉斯·福吉教授一起研究盲鳗黏液的力学已有十多年。

Eom 说道：“我们采用嵌入式 3D 打印技术来模拟这些线。通过研究，我们发现开发高分辨率嵌入式 3D 打印技术使我们能够复制比我们最初预期更广泛的自然结构。”Ewoldt 说道：“这项研究与我团队更广泛的研究愿景有关——利用非牛顿流体和软固体的复杂机械行为实现新颖的工程功能。这一观点融合了力学的基础领域，从流体力学到固体力学以及介于两者之间的行为。”

Tawfick说道：“这种方法的意义在于，它能够制造出多种几何形状的毛发，而且不必承受如此细小而柔韧的毛发所承受的向下重力。这使我们能够使用超精密 3D 打印机制造出具有精细直径的复杂 3D 毛发。”他一直在努力展示这种方法的实用性和各种应用。通过他们的技术，研究人员计划进行更先进的材料开发。Hossain说：“这种方法具有巨大的潜力，因为超细长纤维可以与功能材料相结合，从而复制出受自然启发的纤维结构。”

Eom 说道：“我们对打印目前使用传统半导体制造技术无法实现的精细微结构特别感兴趣。”