麻省理工学院（MIT）的研究人员利用3D打印技术制造出低成本电子喷嘴——三轴电喷雾发射器阵列。这类设备通常只能在半导体洁净室内制造，耗时长、成本高，而MIT团队证明，现在可以在数小时内通过3D打印生产出来。该研究由墨西哥蒙特雷理工学院的Bryan Ivan Quintanar-Abarca主导，MIT微系统技术实验室（MTL）首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García担任资深作者。相关成果已发表在期刊《Virtual and Physical Prototyping》上，研究部分由蒙特雷科技大学-MIT纳米技术项目资助。

要理解电喷雾发射器的价值，首先需要了解其工作原理。想象一个标准的喷雾瓶：扣动扳机时，液体被强行通过微小孔洞形成雾状液滴。电喷雾发射器则是一种先进的微观喷嘴，但它不再依赖物理压力喷射液体，而是使用电力。当高压电流施加在流经微型尖端的液体上时，电力将液体拉伸并击碎成一连串微小且完全相同的液滴。由于依赖电力，它产生的液滴比普通机械喷嘴更小、更快且更均匀。三轴电喷雾发射器进一步对三个同心喷嘴施加高压，同时分配三种不相混溶的液体，以产生连续的层状微滴流。这些微滴可以固化成具有独特壳层的复合微粒，这种结构适用于缓释药物输送胶囊、生物传感器和自修复材料。

由于单个发射器的产量很小，实际制造依赖于将多个发射器集成到阵列中，同时确保每个喷嘴的行为完全一致。更小的发射器也更受青睐，因为缩小喷嘴可以降低形成液滴所需的电压。然而，传统的半导体洁净室制造限制了阵列组件可以实现的形状和尺寸，而MIT团队表示，他们找不到任何先前发表的关于微型三轴电喷雾阵列的文献。传统生产这些设备需要耗费数天时间，在价值数百万美元的半导体洁净室（与制造计算机芯片相同的高科技设施）内完成。如今，MIT团队希望他们的3D打印设计能推动这一过程的民主化。

由MIT微系统技术实验室（MTL）首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García领导的团队，采用液相光聚合（槽式光聚合）技术，在大约一平方厘米的面积内打印出了16个喷嘴的阵列。单个打印层的厚度仅为25微米，不到人类头发丝宽度的几分之一。这一单步工艺从开始到完成阵列只需数小时。团队使用Asiga Max X27打印机完成了该设备的制造。最终得到的一体式阵列尺寸略大于一枚美国1美分硬币，在约一平方厘米内集成了16个喷嘴。

「我们无法在半导体洁净室中制造出这样的器件。这只有在它们被3D打印的情况下才可能实现。」Velásquez-García说。

每个阵列都包含一个螺旋形内部微通道网络，可将液体均匀分配到所有16个喷嘴，在保持紧凑尺寸的同时防止发射器之间的交叉干扰。这些通道必须设计成无需支撑结构，以免堵塞设备，并且在打印后必须清除所有未固化的树脂。同心喷嘴本身必须精确对齐，以确保液滴能一致地形成。

团队测试了多种结构，以确定最佳流速和电压，发现中间液体的粘度是决定微滴稳定性和层一致性的关键因素。研究人员还尝试调整流速和电压，发现可以调节各微滴层的厚度——这种程度的控制可以让科学家设计出能够按精确时间表释放药物的药物递送微粒。快速迭代几何形状的能力对于项目的进展至关重要。「我们能够大力优化设计，因为我们可以更及时地迭代。这种精细改进设计的能力是3D打印的一个关键优势。」Velásquez-García指出。他将该阵列的行为比作发射器从未意识到它们有邻居，从而避免了相邻喷嘴之间的串扰。

这类设备的主要应用之一是制造三层药物递送纳米颗粒。例如，口服药物时，外层可在胃部缓慢侵蚀，露出第二种材料，该材料控制核心物质的释放，从而将药物递送至肠道的特定区域。在测试中，设备成功生成了大批量均匀的三层液滴。均匀性对于高通量制造层状微粒至关重要，此类微粒可用于生物传感器检测化学物质，或作为人工细胞辅助组织再生。另一潜在应用在于自修复复合材料。

未来，研究人员希望继续优化制造工艺和设计，以实现更小的尺寸。他们还有意将导电或介电材料集成到设备中，以制造更先进的电喷雾发射器阵列。「这些设备生成的颗粒，无论是用于自修复复合材料还是药物递送，都可能在许多应用中产生重大影响。」Velásquez-García补充道。他强调更广泛的目标：「我们希望将这项技术民主化，让更多人可以从中受益。」通过使这些复杂的设备更实用，可以赋能他人在创业和科学上取得进步。

MIT这项工作的重要性与其说在于发射器本身，不如说在于它的制造方式。团队的策略是将一种历史上需要半导体洁净室的设备通过单个自动打印过程在数小时内复制出来。这一雄心反映了微尺度3D打印供应商中更广泛的趋势。BMF将其microArch S150系列直接定位于微流控、光纤、生物医学设备和电子领域，配备了HEPA过滤和UV-C灭菌以及加热树脂槽，使系统能够在污染敏感、接近洁净室的环境中运行高粘度配方。其核心卖点是一样的：将曾经只有专业设施才能达到的精度，交付给规模更小的企业来拥有和操作。早期的动向也指向同一方向。微细加工初创公司Horizon Microtechnologies在2022年Formnext展会上首次推出一种基于模板的微增材工艺，旨在生产用于电极、微流控设备、MEMS和光学封装的导电微结构，创始人认为这些领域很大程度上未被传统方法所满足。这些努力贯穿着一条共同主线：将复杂的微米级制造从洁净室中转移出来，转向可访问、可迭代的增材工作流。对于药物递送、生物传感和自修复材料而言，制约因素从制造准入变成了设计。正如研究人员所言，这一转变正是让这项技术能够惠及更多人的关键所在。