新型3D打印技术3DPX：打造超长超细纤维，蜘蛛丝的三分之一！

近日，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上在线发表了一篇题为“Fast 3D printing of fine, continuous, and soft fibers via embedded solvent exchange”的研究文章，介绍了一种名为“3DPX”的新型3D打印方法。这一创新技术不仅能够打印出直径仅为1.5微米的超细纤维，而且连续长度可达数十厘米，材料范围广泛，弹性模量从5MPa到3500MPa，为3D打印领域带来了革命性的突破。

3DPX技术依赖于粘塑性流体流变支撑凝胶，这种凝胶作为打印介质，使得3D打印机的喷嘴能够在其中自由移动，从而突破了传统3D打印在打印超细纤维时遇到的重力限制。这一特性使得3DPX技术能够精确打印出高度复杂的纤维结构，为机器人技术、医疗应用及新型材料的开发开辟了新的天地。

研究团队表示，3DPX技术的灵感来源于仿生学。大自然中的蜘蛛网、蛋壳以及某些昆虫用来捕猎的丝等，都展现出了惊人的强度和韧性。这些自然界的奇迹不仅在生物学上具有独特的意义，也为工程师们提供了丰富的设计灵感。然而，要在3D打印中精准再现这些复杂网络的属性，技术挑战巨大。

为了克服这些挑战，研究团队开发了嵌入式溶剂交换3D打印技术（3DPX）。这一技术能够在打印柔软材料和薄结构时解决常见问题，即这些材料由于抗弯刚度不足，无法支撑自身重量。通过在特制的凝胶中进行打印，凝胶作为支撑介质，有效地解决了这一难题。为了实现直径小于1.5微米的细丝打印，研究团队对支撑凝胶的流变性进行了优化，并精心调整了聚合物、溶剂和非溶剂的比例。

除了对支撑凝胶的优化，研究人员还深入探讨了溶剂交换过程对3DPX技术中几何结构和打印参数的影响。研究发现，打印过程中细丝相对于喷嘴尖端路径的位置变化与打印速度密切相关。打印速度越慢，聚合物的最终位置与喷嘴轨迹的重合度越高。

为了验证3DPX技术的实际应用潜力，研究团队进行了多项测试。结果显示，即使使用5微米的喷嘴，也能成功打印出1.5微米的细纤维。此外，研究中使用的材料包括弹性体、PVC和聚苯乙烯等，展示了3DPX方法在不同材料中的广泛适用性。

最终，这项研究展示了一种新型快速3D打印方法，专为丝状材料设计。该方法基于嵌入式直接墨水书写技术，通过溶剂交换形成仿生纤维结构，纵横比高达7511，丝状直径可达1.5微米。溶剂交换机制使得聚合物墨水能够迅速凝固，从而实现大规模生产超长、超细且精密的结构。

研究人员认为，3DPX技术在医疗领域（如药物输送、超精密微流体设备设计）、电子领域和传感器设计等方面具有巨大的应用潜力。然而，尽管初步结果令人鼓舞，但研究人员也指出了当前面临的一些挑战，如如何进一步提高打印稳定性、完善材料配方等。这些问题需要在未来的研究中得到解决，以推动3DPX技术的进一步发展和应用。