比蜘蛛丝细3倍！全新溶剂交换机制微纳3D打印

这是贻贝足丝，直径约200μm：

这是人的头发，直径约50μm：

这是蜜蜂腿部毛发，直径约10μm：

这是壁虎脚部刚毛，直径约5-10μm：

这是蜘蛛丝，直径约4-5μm：

这是盲鳗粘液丝，直径约2μm ：

这是本文分享的3D打印技术打印的纤维，直径1.5μm！

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。

然而，人工复制这些精妙的自然结构一直是制造业面临的巨大挑战：

要么无法达到所需的精度，要么制造效率低下，又或是材料选择受限。

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，比现有技术（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。

AM易道认为，这项技术的出现是3D打印在微纳制造领域的一个新的里程碑。

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。

让我们深入这项改变游戏规则的技术创新，一探其背后的核心原理与重大突破。

一、颠覆性创新：500000倍速度提升背后的技术突破

核心技术原理：巧用溶剂交换实现快速固化

传统的微纳尺度3D打印面临着一个根本性挑战：

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。

而3DPX技术通过一个巧妙的设计克服了这一障碍。

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）。

突破性原理：三元相变与快速固化机制

要理解3DPX技术的突破性，我们需要深入其独特的固化机制。

如图1c所示，整个过程涉及三种关键组分：聚合物、溶剂和非溶剂。通过精确控制这三者之间的相互作用，实现了前所未有的快速固化效果。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。

研究团队通过系统的热力学研究揭示了这一过程的机理。

如图2所示，他们绘制了完整的三元相图，展示了不同组分配比下的相变行为。特别值得注意的是，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。

支撑凝胶：打印稳定性的关键保障

3DPX技术的另一个关键创新在于其特制的支撑凝胶系统。

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。这种独特的流变特性确保了两个关键功能：

• 当打印喷头移动时，凝胶会暂时"液化"，允许喷头自由运动

• 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够达到惊人的5mm/s，同时保持着微米级的精确度。

二、突破性能极限：从材料到工艺的全方位创新

材料突破：前所未有广谱适应性

相比传统的微纳制造技术，3DPX技术在材料适应性方面展现出显著优势。

如图5所示，研究团队成功演示了多种商用聚合物的打印，包括：

• SEBS（弹性模量2.3 MPa）
• SIS（弹性模量5.0 MPa）
• PVC（弹性模量3500 MPa）
• 导电CNT/聚合物复合材料（电导率40 S/m）

这种广谱的材料适应性源于3DPX技术的普适性原理：

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种方式进行打印。

这大大扩展了微纳制造的材料选择范围。

工艺突破：精确控制与高效制造的完美统一

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。

如图4所示，他们重点研究了三个关键参数：首先是喷嘴尺寸的影响。通过使用内径为5μm和10μm的玻璃喷嘴进行对比实验，研究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。

打印速度的优化更是体现了这项技术的突破性。

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。更重要的是，即使在如此高的速度下，打印质量依然保持稳定。前面的视频清晰记录了这一高速打印过程，展示了技术的可靠性和稳定性。第三个关键参数是支撑凝胶的屈服应力。

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。

突破性应用：仿生毛发阵列的精确制造

3DPX技术最引人注目的应用展示之一是超细毛发阵列的制造。

如图6所示，研究团队开发出了一套完整的毛发阵列制造工艺。

这个过程堪称精妙，在下面的视频中可以看到其实时打印过程：

首先，将未固化的PDMS倒入容器底部，上层覆盖乙醇基凝胶。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。这样，毛发的根部被固定在PDMS中，而纤维部分则在凝胶中成型。通过这种方式，团队成功制造出了具有以下特征的毛发阵列：

• 单根毛发直径最细可达1.5μm
• 长度可达7511μm
• 最高纵横比达到惊人的3414
• 可实现直毛和卷曲毛的精确控制
  

更值得一提的是，这种毛发阵列展现出优异的机械性能。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。至于有哪些应用潜力，AM易道稍后在后文分享。

规模化制造潜力：突破实验室局限

为了验证技术的规模化潜力，研究团队开发了多喷头并行打印系统。

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。

三、重要影响：可能再次进化微纳3D打印制造

通过与现有技术的对比（如图5c所示），3DPX技术的突破性优势更加凸显。

这张图非常有趣：

是一个特征尺寸对比图，展示了2个关键的比较：

一个是与此前的嵌入式3D打印技术对比：

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"）；

而本文的3DPX技术实现了1.5μm，是显著的突破。

另外一个是与自然界生物纤维的对比：

• 贻贝足丝（Mussel byssal threads）约200μm

• 壁虎脚部刚毛（Gecko's adhesive setae）约5-10μm

• 蜘蛛丝（Spider silk）约4μm

• 盲鳗粘液丝（Hagfish slime thread）约2μm 

• 哺乳动物角蛋白（Mammalian keratin）约10μm

• 蜜蜂腿部毛发（Honeybee leg hair）约10μm

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！

总结下来，3DPX技术实现了：

将最小打印直径从此前的8μm降至1.5μm；打印速度提升至5mm/s，较传统方法快500,000倍；弹性模量覆盖5 MPa到3500 MPa的超宽范围；支持复杂三维结构的自由打印，无需支撑。

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。

广阔的应用前景：从实验验证到实际应用

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

仿生传感器与智能机器人： 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。这为开发仿生触觉传感器和水下机器人的环境感知系统提供了理想的技术基础。延伸阅读：

3D打印，软体机器人进化之手！Science子刊看不断升级的鳐鱼智能体高度定制化的功能结构： 

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能够通过材料改性实现功能化设计。这一特性在生物医学传感器和光电器件等领域具有重要应用价值。精确可控的几何结构： 

如图6e-l所示，团队成功实现了直毛和螺旋毛两种典型构型的精确制造。

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。

突破性的结构参数：最令人印象深刻的是图6m-o展示的超高纵横比结构。

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可以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。

AM易道最后聊两句

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。

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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。

研究原文还有大量技术细节和精彩内容，请读者查阅doi信息阅读原文。

Reference: https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1