科學家突破3D列印極限，精準複製自然界纖維結構

研究人員開發出一種高解析度的嵌入式3D列印技術，能夠製造出超細纖維，完美模仿自然界中的結構。透過溶劑交換過程，他們達到了前所未有的1.5微米解析度，為仿生材料和先進工程應用開啟了新的可能性。

一直以來，科學家們都在探索新的方法來複製自然界中多樣且珍貴的特徵。細毛和纖維在自然界中無處不在，它們的功能多樣，從感知功能到形成盲鰻黏液的獨特質感。為了滿足這一需求，MechSE的教授Sameh Tawfick和Randy Ewoldt，以及博士生M. Tanver Hossain與外部合作者，利用他們先進的嵌入式3D列印技術，成功解決了這一難題。這項研究最近發表在《Nature Communications》期刊上，探討瞭如何在凝膠中快速列印細纖維的科學原理。

與傳統的3D列印方法不同，嵌入式3D列印將材料沉積在支撐介質（如水凝膠）中。在空氣中列印時，模型必須定向，以便每一層都能支撐下一層，或者對於結構複雜的模型，需要列印可移除的支撐結構。而在凝膠中列印則無需這些支撐結構，因為凝膠本身就能支撐列印材料的形狀，從而更高效地列印出如螺旋彈簧等複雜形狀。此外，列印部件可以在凝膠中固化，然後從凝膠中取出，使得凝膠可以重複使用。

然而，嵌入式3D列印在列印非常細小的特徵時曾遇到困難，這與在空氣中列印的情況相似。直徑小於16微米的細絲在固化前會因表面張力而迅速斷裂。研究團隊希望列印出更細的直徑，以匹配自然界中的纖維，如蜘蛛絲或盲鰻分泌的防禦性黏液絲。

「自然界中有許多直徑僅幾微米的絲狀結構，」Hossain說道，他是這篇論文的第二作者，專注於設計非牛頓凝膠。「我們知道這一定是可能的。」

研究人員採用了一種溶劑交換的方法來抑制表面張力引起的毛細管斷裂。「我們修改了凝膠和列印墨水，使得墨水一旦沉積在凝膠中就會立即固化，」Hossain解釋道。「這防止了細絲斷裂，因為它幾乎瞬間就固化了。」透過這種方法，團隊達到了1.5微米的解析度。他們還嘗試了透過多個噴嘴並行列印，從而實現快速製造。

這項研究克服了3D列印技術長期以來的一個限制——列印直徑小至一微米的軟材料。「達到如此高的列印解析度意味著我們現在有了技術基礎來模仿自然界中的微纖維和毛髮狀結構，這些結構展現出卓越的功能性，」Eom說道，他是這篇論文的第一作者，專注於設計溶劑交換過程。

研究人員對嵌入式3D列印產生興趣，是因為它能夠複製盲鰻黏液的特性，這種黏液由於存在微米級的絲束而展現出優於其他凝膠的機械效能。Ewoldt與查普曼大學的Douglas Fudge教授合作，已經研究盲鰻黏液的力學特性超過十年。

「我們採用嵌入式3D列印作為模仿這些絲束的方法，」Eom說道。「透過我們的研究，我們發現開發高解析度的嵌入式3D列印技術使我們能夠複製比我們最初預期更廣泛的自然結構。」

「這項研究與我們團隊的廣泛研究願景相關——透過利用非牛頓流體和軟固體的複雜機械行為來實現新的工程功能，」Ewoldt談到他對這項工作的興趣時說道。「這種觀點整合了從流體力學到固體力學及其之間行為的基礎領域。」

「這種方法的重要性在於能夠生產多種幾何形狀的毛髮，而無需處理重力對如此細小且柔軟的毛髮的向下作用力，」Tawfick說道，他致力於展示這種方法的實用性和各種應用。「這使我們能夠使用超精確的3D印表機生產出具有細小直徑的複雜3D毛髮。」

透過他們的技術，研究人員計劃進一步開發更先進的材料。「這種方法具有巨大的潛力，因為超細和長纖維可以與功能材料結合，從而實現仿生纖維結構的複製，」Hossain說道。

「我們特別感興趣的是列印出目前無法透過傳統半導體製造技術實現的細微結構，」Eom補充道。