2026年首篇3D打印Nature！

3D打印技术参考注意到，2026年3D打印技术领域首篇Nature正刊文章于1月14日发表。来自德国斯图加特大学，中国香港科技大学、清华大学、南方科技大学等的联合团队发表了题为“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators（3D打印低电压驱动的纤毛水凝胶微执行器）的文章，作者团队大部分为中国学者。

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

这项研究聚焦3D打印技术应用。研究团队采用双光子光刻技术（TPP）制造出了“离子型水凝胶微纤毛”，成功复刻了天然纤毛的结构与运动特点，在人类世界中首次实现通过低电压驱动、独立编程，来操控仿生水凝胶微纤毛阵列进行微观粒子精确搬运以及流体操控。

研究指出，微米级、高密度排列的天然纤毛能够进行非常智慧的三维运动，并呈现动态可调的集体运动模式，对于微尺度运动、营养获取、细胞运输以及胚胎和神经发育等生物过程至关重要。然而，由于微米尺度下可扩展、局部可控的软体驱动技术存在局限性，在人工系统中复制这些运动仍然极具挑战性。克服这一挑战将有助于更深入地理解纤毛动力学，阐明其生物学重要性，并推动新型微尺度器件和仿生技术的发展。

3D打印微纤毛阵列

研究团队选用丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶作为微纤毛的打印材料，这种材料非常柔软，还能在毫秒内响应电刺激。采用的3D打印技术为双光子聚合（TPP），它是当前制造高精度微尺度结构的重要工艺类型。研究人员调整了关键工艺参数（如切片和填充），将微纤毛的孔径从传统的几十微米减小到纳米级，打印出了凝胶微纤毛阵列，最终的纤毛直径为2–10µm，高度18–90µm。

重要的是驱动纤毛运动的电场开发。研究人员开发了一套紧密排列的微电极阵列，微电极之间的间距为30–300µm，能够产生5000V/m至50000V/m的电场。而且每根纤毛周围有四个独立电极控制，因此能单独控制某一纤毛的运动轨迹。

电极阵列

最终，纤毛阵列在电场刺激下能够以高达40Hz的频率进行三维旋转弯曲运动，模拟天然纤毛的几何形状和动力学特性。这些凝胶微纤毛在连续33万次驱动循环后仍能保持功能，性能衰减小于30%。

电极控制纤毛阵列运动

3D打印微纤毛阵列的潜在应用

为了探索这种水凝胶微致动器的应用场景，研究人员制备了一种人工海星幼体，其中生物海星幼体通过纤毛运动产生复杂的涡旋阵列，以促进摄食和其他重要过程。纤毛与环境相互作用产生的活性边界条件可能对生物系统和合成系统都产生重要影响。然而，现有研究大多基于生物学观察，缺乏系统的定量分析，且大多为定性研究。为了弥补这一不足，该研究团队结合微尺度3D打印技术构建了海星幼体，并在其曲面上刻蚀微电极，同时集成水凝胶纤毛，从而制备了一种人工海星幼体平台。人工海星幼虫在电控制下复制生物类似的涡旋阵列，为定量研究仿生过程和主动边界条件提供了一个可靠的机器人平台。

该研究还展示了水凝胶微致动器与微机械结构的集成。电致水凝胶弯曲通过机械连接转化为旋转和拍动运动，从而拓宽了潜在应用范围。这一特性显示出水凝胶微致动器与复杂微型机械结构连接、拓展微尺度驱动策略以及推动微型机器人和微型器件领域发展的潜力。

在自然界中，生物纤毛通过操纵周围液体发挥多种功能，包括气道清除、配子运输和胚胎发育调节。类似地，研究团队对此展示了两种微尺度流体操控策略，展现出该结构在可控流体运输和定向颗粒运动方面的潜力。

首先利用相同的顺时针驱动信号，通过单个驱动单元内凝胶微纤毛的空间和密度配置来操控流体流动；实验表明，在同步顺时针运动下，纤毛的位置和密度可以控制涡旋的模式和方向。

其次展示了通过可单独寻址的凝胶微纤毛实现流动模式的动态重编程。实验表明，可重编程的协同运动能够以灵活的方式控制流动结构和方向。

最后，研究人员指出这种凝胶微纤毛阵列可以集成在柔性聚酰亚胺基底上，并可使用传统光刻技术进行大规模制造。而且随着凝胶微纤毛性能的不断提高，结合先进的微加工/纳米加工和柔性电子制造技术，将使它们能够在众多领域得到广泛应用。

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