2026年首篇3D打印Nature！

3D打印技術參考注意到，2026年3D打印技術領域首篇Nature正刊文章于1月14日發表。來自德國斯圖加特大學，中國香港科技大學、清華大學、南方科技大學等的聯合團隊發表了題為“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators（3D打印低電壓驅動的纖毛水凝膠微執行器）的文章，作者團隊大部分為中國學者。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09944-6

這項研究聚焦3D打印技術應用。研究團隊采用雙光子光刻技術（TPP）制造出了“離子型水凝膠微纖毛”，成功復刻了天然纖毛的結構與運動特點，在人類世界中首次實現通過低電壓驅動、獨立編程，來操控仿生水凝膠微纖毛陣列進行微觀粒子精確搬運以及流體操控。

研究指出，微米級、高密度排列的天然纖毛能夠進行非常智慧的三維運動，并呈現動態可調的集體運動模式，對于微尺度運動、營養獲取、細胞運輸以及胚胎和神經發育等生物過程至關重要。然而，由于微米尺度下可擴展、局部可控的軟體驅動技術存在局限性，在人工系統中復制這些運動仍然極具挑戰性?？朔@一挑戰將有助于更深入地理解纖毛動力學，闡明其生物學重要性，并推動新型微尺度器件和仿生技術的發展。

3D打印微纖毛陣列

研究團隊選用丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝膠作為微纖毛的打印材料，這種材料非常柔軟，還能在毫秒內響應電刺激。采用的3D打印技術為雙光子聚合（TPP），它是當前制造高精度微尺度結構的重要工藝類型。研究人員調整了關鍵工藝參數（如切片和填充），將微纖毛的孔徑從傳統的幾十微米減小到納米級，打印出了凝膠微纖毛陣列，最終的纖毛直徑為2–10μm，高度18–90μm。

重要的是驅動纖毛運動的電場開發。研究人員開發了一套緊密排列的微電極陣列，微電極之間的間距為30–300μm，能夠產生5000V/m至50000V/m的電場。而且每根纖毛周圍有四個獨立電極控制，因此能單獨控制某一纖毛的運動軌跡。

電極陣列

最終，纖毛陣列在電場刺激下能夠以高達40Hz的頻率進行三維旋轉彎曲運動，模擬天然纖毛的幾何形狀和動力學特性。這些凝膠微纖毛在連續33萬次驅動循環后仍能保持功能，性能衰減小于30%。

電極控制纖毛陣列運動

3D打印微纖毛陣列的潛在應用

為了探索這種水凝膠微致動器的應用場景，研究人員制備了一種人工海星幼體，其中生物海星幼體通過纖毛運動產生復雜的渦旋陣列，以促進攝食和其他重要過程。纖毛與環境相互作用產生的活性邊界條件可能對生物系統和合成系統都產生重要影響。然而，現有研究大多基于生物學觀察，缺乏系統的定量分析，且大多為定性研究。為了彌補這一不足，該研究團隊結合微尺度3D打印技術構建了海星幼體，并在其曲面上刻蝕微電極，同時集成水凝膠纖毛，從而制備了一種人工海星幼體平臺。人工海星幼蟲在電控制下復制生物類似的渦旋陣列，為定量研究仿生過程和主動邊界條件提供了一個可靠的機器人平臺。

該研究還展示了水凝膠微致動器與微機械結構的集成。電致水凝膠彎曲通過機械連接轉化為旋轉和拍動運動，從而拓寬了潛在應用范圍。這一特性顯示出水凝膠微致動器與復雜微型機械結構連接、拓展微尺度驅動策略以及推動微型機器人和微型器件領域發展的潛力。

在自然界中，生物纖毛通過操縱周圍液體發揮多種功能，包括氣道清除、配子運輸和胚胎發育調節。類似地，研究團隊對此展示了兩種微尺度流體操控策略，展現出該結構在可控流體運輸和定向顆粒運動方面的潛力。

首先利用相同的順時針驅動信號，通過單個驅動單元內凝膠微纖毛的空間和密度配置來操控流體流動；實驗表明，在同步順時針運動下，纖毛的位置和密度可以控制渦旋的模式和方向。

其次展示了通過可單獨尋址的凝膠微纖毛實現流動模式的動態重編程。實驗表明，可重編程的協同運動能夠以靈活的方式控制流動結構和方向。

最后，研究人員指出這種凝膠微纖毛陣列可以集成在柔性聚酰亞胺基底上，并可使用傳統光刻技術進行大規模制造。而且隨著凝膠微纖毛性能的不斷提高，結合先進的微加工/納米加工和柔性電子制造技術，將使它們能夠在眾多領域得到廣泛應用。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

歡迎轉發

1.

2.

3.

4.