来源：EFL生物3D打印与生物制造
研究背景
1.自然界纤维结构的启示：自然界中存在如毛发、触须、蜘蛛丝等多种纤维结构，执行着传感、结构支撑等功能，其独特性能为工程材料研发提供思路，推动科学家探索模仿这些结构的制造技术。
2.现有制造技术的局限：在生物启发的工程应用中，微纳尺度毛发阵列需求大，如在机器人传感、医疗给药、微流控等领域。但现有光刻和微加工技术只能制造 2D 直几何结构，且高度和纵横比受限；传统 3D 打印方法制造的细丝直径大，难以满足需求。
3.嵌入式 3D 打印的发展：嵌入式 3D 打印可解决重力引起的变形问题，拓展了可打印材料范围。然而，其打印细丝直径受表面张力等因素限制，目前最小只能达到 8μm，无法满足对更细纤维的需求。
来自美国伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校 Sameh H. Tawfick教授团队，开发出基于嵌入式溶剂交换的 3D 打印（3DPX）技术。该团队通过精确调控溶剂交换过程中的材料参数，优化支撑凝胶的性质，成功实现了从多种材料中打印出直径仅 1.5μm、高纵横比的精细纤维结构。解决了传统 3D 打印技术在制造极细纤维时易受毛细管作用影响导致纤维断裂，以及可打印材料范围窄、难以实现复杂 3D 结构高精度打印的痛点。相关工作以 “Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange” 为题发表在《Nature Communications》上。
研究方法
1.构建溶剂交换体系：选用能溶解聚合物的溶剂和不与聚合物混溶但与溶剂混溶的非溶剂，构建三元体系。如以热塑性弹性体 SEBS、甲苯和乙醇分别作为聚合物、溶剂和非溶剂，使聚合物溶液在注入凝胶时发生溶剂交换，实现快速固化。
2.制备材料及测试：制备多种聚合物墨水和不同乙醇浓度、屈服应力的支撑凝胶。用旋转流变仪分析墨水和凝胶流变特性，HPLC 测定相分离溶液中甲苯浓度，多种显微镜观察打印过程和结构。
3.3D 打印实验：利用定制 3D 打印机，在支撑凝胶中进行单根细丝、复杂几何结构和毛发阵列打印实验，研究不同参数对打印效果的影响。
研究结果
1. 成功实现精细纤维打印：通过溶剂交换，实现了 1.5μm 的细丝打印（图 1g），打印的圆锥线圈（图 1d、e、f）结构稳定，验证了该方法在制造精细结构方面的有效性。
图 1：通过溶剂交换的嵌入式 3D 打印（3DPX）机制
2. 明确材料特性及固化过程：以 SEBS 等为研究对象，构建三元相图（图 2a），发现高浓度聚合物墨水固化更快。分析上清液中甲苯含量（图 2b、c），明确乙醇浓度对溶剂交换的影响。研究 SEBS 溶液流变特性（图 3a），确定不同浓度溶液状态和黏度变化规律。监测固化过程（图 3d - f），发现高浓度溶液固化快，为打印细纤维提供理论依据。
图 2：溶剂交换的热力学和动力学
图 3：3DPX 的流变学
3. 掌握打印参数影响规律：打印参数和凝胶屈服应力对细丝直径和形状有显著影响（图 4）。随着打印速度增加，细丝直径减小；凝胶屈服应力提高，能更好地控制细丝位置和形状。该方法具备良好的可扩展性，能够提高打印速度并实现多喷嘴打印。
图 4：3DPX 的打印参数和可扩展性
4. 材料与结构拓展：多种聚合物及碳纳米管复合材料均能成功打印（图 5a、b），极大地拓宽了材料选择范围。打印出了 2D 螺旋、3D 球型等多种几何结构（图 5d - g），充分证明该技术制造复杂结构的能力。此外，在基底上成功打印毛发结构（图 6），制备出不同形状和高纵横比的毛发，展示出在仿生应用方面的巨大潜力。
图 5：3DPX 的能力，包括材料库、特征尺寸和几何形状。
图 6：使用 3DPX 打印精细毛发阵列。
研究结论
本研究展示了一种基于嵌入式直接墨水书写和溶剂交换的快速 3D 打印方法，可制造高纵横比（达 7511）、细丝直径低至 1.5μm 的仿生纤维结构。通过研究溶剂交换热力学、固化速率和材料流变性能，实现了多种聚合物的高精度打印。该方法打印速度快，能制造自由形态和无支撑结构，克服了以往方法的局限。
挑战与展望
目前，从凝胶中无损移除极细且高纵横比的毛发仍是挑战。未来，可将超细、长纤维阵列与功能材料结合，用于触觉传感器、药物递送微针和微流控设备等领域，进一步拓展该 3D 打印方法的应用范围，提升其功能性和实用性。
文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1
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