德国马普所 l 在Nature连发2篇3D打印最新研究进展

近日，德国马普所智能系统研究所Metin Sitti教授与合作者在2026年1月14日、1月28日分别以在顶刊Nature上连续发表两篇研究论文，两项工作围绕“三维微纳制造”和“微纳驱动”前沿领域，通过精密的3D打印技术解决现有技术的关键瓶颈，展示了在复杂微纳器件制造前沿领域的潜力。本期谷·专栏将进行简要分享。

3D微纳制造

三维微纳制造是微纳机器人、微纳光子学、微流控器件以及微尺度超材料等众多前沿领域的重要技术基础。通过在微米乃至纳米尺度上构建具有复杂三维几何形貌的结构，研究人员能够创造出功能强大的微纳器件，推动社会发展。双光子聚合(Two-photon polymerization) 三维打印技术因其高空间分辨率，被广泛认为是三维微纳制造领域中最先进的方法之一。然而，该技术本质上依赖光化学交联反应，其可加工材料主要局限于特定类型的聚合物。尽管近年来通过开发新型光刻胶等方式，研究者尝试拓展其材料适用范围，但整体而言，实现真正意义上的多材料、尤其是非聚合物材料的高精度三维制造仍然极具挑战。

相比于持续开发新型光刻胶，将微纳米颗粒作为构筑基元，通过可控组装方式构建三维结构在材料通用性方面具有巨大优势。这类方法原则上适用于多种多样的合成功能材料，如金属、金属氧化物、碳基材料和量子点等。然而，实现高质量的三维颗粒组装需要对组装过程进行精确的时空调控：成千上万个微纳米颗粒需要在外场作用下被同时引导、持续输运，并在特定空间位置实现受控堆积，从而形成具有确定三维形貌的结构。当前主流的组装手段，如毛细力组装、界面组装，光学组装以及电磁场组装等，在组装效率、结构维度、可扩展性和对材料与环境条件的适应性方面仍然存在明显限制，难以同时满足上述要求。

据此，德国马普所智能系统研究所Metin Sitti教授、新加坡国立大学张明超教授提出了一种将光诱导胶体流体输运与微纳三维空间限域相结合的颗粒组装策略，旨在实现更具材料通用性的三维微纳制造。该工作利用光场在局域范围内触发并调控流体输运过程，使微纳颗粒在空间限域中被连续引导与沉积，从而实现对多种材料三维形貌的可编程构筑。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10033-x

2026年1月28日，相关研究以“Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication” 为题发表于Nature 上。论文第一作者为吕相龙博士，Metin Sitti教授、张明超教授为通讯作者。合作者包括瑞典皇家理工学院雷文海博士及Shervin Bagheri教授提供的流体理论支持，以及马普所Gaurav Gardi博士、Muhammad Turab Ali Khan博士在实验方面的参与。

l 图文介绍

在传统的胶体体系里，“让颗粒沉降”往往意味着“别动它”。无论是污水澄清、胶体絮凝，还是实验室里想让纳米颗粒从分散态走向聚集态，一个常见经验都是静置：尽量避免扰动分散溶液，等待颗粒在相互作用作用下逐步靠近、架桥、沉降，最终得到上清液澄清的效果。相反，一旦把液体搅动起来，强扰动会打断已形成的弱团簇、缩短颗粒近距离停留时间，使体系更难长大，让体系“回到分散状态”。

但这项工作展示了一个看似相反、却更“可控”的过程：在合适的速度窗口内，流体运动并不会抑制沉降，反而能促进颗粒“更快、更确定地”聚集并致密化。原因并不难理解:当颗粒被流场持续驱动时，颗粒的相对运动与碰撞频率显著提高，等效地提升了“有效相遇概率”。从胶体物理的角度看，这种由动力学带来的高频接触，某种意义上类似于提高颗粒浓度：局部接触事件变多，使颗粒更容易跨过电双层排斥带来的能垒，进入范德华吸引主导的黏附区，进而发生聚集与沉降。与此同时，这一“促进效应”并非无限增强：当流速过大时，颗粒-流体之间的黏滞阻力与剪切扰动会占据主导，颗粒更难停留在接触态，反而不利于稳定组装。因此，真正关键的是把流动“调到刚刚好”：既足以提高碰撞与接触概率，又不至于让流体作用力强到把颗粒重新拉散。

正是基于这种“受控流动促进聚集”的反直觉窗口，研究团队提出了光流体三维微纳颗粒组装策略，并将其转化为一种可编程的三维微纳制造方法。该方法的整体流程如图 1所示。首先，研究人员利用双光子聚合打印具有开口的空心聚合物结构作为后续颗粒组装的三维空间模板。随后，将模板浸入含有微纳米颗粒的悬浮液中，并在模板开口附近施加聚焦飞秒激光。高功率的飞秒激光对液体局部持续加热，产生强烈的温度梯度，由此诱导形成稳定的对流流场。该流场能够持续将溶液中的微纳米颗粒输运至模板内部，并逐步堆积与致密化，直至完全填满模版。完成组装后，选择性去除外部聚合物模板，即可获得完全由目标颗粒材料构成的三维结构 （图1a）。研究团队展示了由二氧化硅颗粒组装而成的三维微立方体结构（图1b, c）和具备连续三维曲面形貌的悬垂“可颂”结构(图1d,e)，表明该方法在构建复杂三维结构方面的能力。

图1. 光流体三维微纳制造

随后，揭示了光流体组装过程的物理机制 （图2）。颗粒在光流体驱动下实现聚集，是三维稳定组装的必要前提；而聚集与否，本质上取决于颗粒间相互作用与颗粒-流体相互作用之间的竞争。颗粒间相互作用主要由范德华吸引与电双层排斥共同决定，颗粒-流体相互作用则以黏滞阻力为主。以二氧化硅胶体颗粒为模型体系，系统调节溶液离子强度与流速，比较不同条件下颗粒的聚集/分散行为。结合理论分析与实验结果，构建了描述聚集与分散边界的相图，为后续将该策略迁移到不同材料体系提供了可操作的物理判据。

图2. 组装机理

为了进一步拓展该方法的适用范围，之后考察了不同溶剂体系对颗粒组装行为的影响 （图3）。在油相等疏水溶剂中，强大的疏水相互作用显著增强了颗粒的聚集行为，使得在较高流速条件下也能够实现稳定的三维组装，从而提高组装效率（图3a-c）。而在水相溶剂中，激光加热往往伴随气泡生成及强烈的界面流动，阻碍颗粒聚集。研究表明，通过引入不同类型的表面活性剂，可以有效减缓界面流动，从而促进颗粒聚集（图 3d–f）。这些结果表明，该方法在多种溶剂条件下均具有良好的可调性。

图3. 不同溶剂环境中的组装优化

该光流体三维组装策略在材料适用性方面表现出良好的通用性。如图 4 所示，研究团队成功实现了由不同尺寸二氧化硅颗粒构成的多种三维结构，并进一步将该方法拓展至金属氧化物纳米颗粒、金属纳米颗粒、金刚石纳米颗粒以及量子点等多种材料体系。此外，该方法支持空间选择性的多步组装过程，使不同材料能够在同一基底上被精确组装到预定位置，或在同一结构中实现多材料集成，为构建具有空间功能分布的三维微纳结构提供了有效手段。

图4. 多材料适用性

最后，展示了该方法在微流控器件和多功能微型机器人制造中的应用潜力。如图 5a-e 所示，通过在微流控通道中集成由颗粒组装形成的三维多孔微阀，实现了对不同尺寸纳米颗粒的筛分与富集。图5f-s则展示了一系列多材料集成的微型机器人。这些微机器人在磁场、光场或化学环境中表现出不同的运动模式，展示了该制造策略在多功能微系统构建中的潜力。

图5. 多材料3D结构在微流控及微型机器人上的展示

综上，该研究提出了一种基于光流体诱导微纳颗粒三维组装的通用三维微纳制造技术，并展示了其在多种材料集成和多功能微纳器件制造方面的能力。这项技术为未来制备功能更加复杂的微纳米器件提供了重要的基础。

3D打印的低电压驱动水凝胶纤毛微型驱动器

自然界中，微米尺度、密集排列的纤毛能执行动态可调的三维非互易运动，对微生物运动、营养获取、细胞运输及胚胎神经发育等过程至关重要。然而，在人工系统中复现这些运动极具挑战，受限于微米尺度上实现可扩展、局部可控的软体驱动。现有技术如气动纤毛频率低、难微型化；磁场驱动纤毛难以生成复杂磁场模式；光、电或电化学驱动则在速度、维度、生物相容性或耐久性上存在短板。因此，开发能模拟天然纤毛动力学、可个体控制且耐用的新型微驱动器，对理解生物机制和推动微纳技术发展意义重大。

据此，德国马普所智能系统研究所Metin Sitti教授、香港科技大学胡文琪教授报道了一种此前未被认识的微米尺度水凝胶快速电响应现象，并基于此开发了3D打印的低电压驱动水凝胶纤毛微型驱动器。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09944-6

2026年1月14日，相关工作以题为“3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators”发表在Nature上。刘泽民博士为论文第一作者，Metin Sitti教授、胡文琪助理教授为通讯作者。

该研究利用双光子聚合技术，将离子型水凝胶的孔隙尺寸优化至纳米级别，从而在低至1.5V（低于水电解阈值）的电压驱动下，通过水凝胶网络内的离子迁移，实现了毫秒级的弯曲运动。基于此，打印出由柔软的丙烯酸-丙烯酰胺共聚水凝胶（模量约1000 Pa）构成的凝胶微纤毛阵列。单个纤毛直径2-10 μm，高18-90 μm，可模拟天然纤毛的几何形态与动力学，实现高达40 Hz频率的三维旋转弯曲运动，并在连续驱动33万次后性能衰减小于30%。该阵列可集成在柔性聚酰亚胺基底上，并利用微电极阵列实现单个纤毛的动态控制，最终成功演示了微米尺度的流体操控与颗粒输运功能。

l 图文介绍

采用双光子聚合3D打印，优化参数使水凝胶孔隙达纳米级（图1a(1)），增大了有效表面积与双电层容量，增强离子传输。以此制作的AAc-co-AAm凝胶微纤毛（直径2-10 μm，高18-90 μm）周围布置微电极。在1.5V电压下，电极产生5000-50000 V m⁻¹电场。其弯曲机制（图1a(2)）在于：去离子水中，H⁺迁移至阴极侧（区域1）导致凝胶收缩，纤毛向阴极弯曲；生理盐水中，Na⁺携水进入阴极侧导致溶胀，纤毛向阳极弯曲。阵列可制于柔性聚酰亚胺基底（图1b），通过控制每个驱动单元（四电极）的电信号，实现单纤毛可编程三维弯曲（图1c），并能大规模集成（图1d）。

图1. 电动水凝胶微致动器制造、机制与器件

不同于传统毫米级水凝胶依赖界面效应，本工作微米级水凝胶通过纳米孔道内的离子迁移驱动，速度提升百倍，且弯曲方向随溶液离子主导类型变化。在去离子水（H⁺主导）中，纤毛向阴极弯曲（图2a(1)）；在生理盐水（Na⁺主导，0.15380 mol L⁻¹ NaCl）中，则向阳极弯曲；在中间浓度（0.00769 mol L⁻¹ NaCl）下，存在竞争，纤毛先向阴极后反向阳极弯曲（图2b(1)）。

研究还发现，增加凝胶中AAc浓度（-COOH基团）并未增大弯曲幅度，反而降低（图2a(2)-(5)）。全耦合电-化学-力学模拟证实此趋势（图2a(6)-(9)），表明高AAc带来的不利因素（如模量增加）超过了其电荷密度增益。快速响应源于两点：纳米孔隙增强的双电层离子传输，以及微米尺度下离子的快速迁移。例如，在10000 V m⁻¹场强下，H⁺（μ_H⁺ = 3.62×10⁻⁷ m² s⁻¹ V⁻¹）穿过10 μm仅需2.8 ms。这使得离子重分布与机械响应均在毫秒级完成，支持高达40 Hz的驱动频率。

图2. 凝胶小纤毛执行器动力学的表征

弯曲动力学表征显示，在去离子水中，低AAc含量（15 wt%）纤毛在低频下弯曲幅度更大，高频下优势减小（图2c(1)），这与低雷诺数下粘性效应随频率增强有关。耐久性优异：单纤毛在连续33万次驱动（20 Hz，5小时）后，仍保持初始70%的弯曲性能（50°弯曲角，图2c(2)），这得益于其纯物理离子迁移机制，无化学反应损耗。尺寸效应明显：直径2 μm的纤毛在高频下（如50 Hz）性能远超10 μm纤毛（图2c(3)），因更小尺寸缩短了离子迁移路径与时间。环境测试表明，驱动性能随溶液离子复杂度增加而下降（图2c(4)），在去离子水/人唾液中最佳，生理盐水中等，在DPBS、血清及血浆中降低，但在所有测试生理流体中均保持功能，显示其生物应用潜力。

研究展示了多纤毛协调运动控制。两个纤毛可实现同步或180°异相单向弯曲，以及同步或反向三维旋转（图3a）。运动可扩展至5×5阵列，实现单向弯曲、旋转及独立驱动（图3b(1)-(10)），并能重编程显示“HKUST”图案（图3b(11)）。25×25阵列则可显示“MPIIs”（图3c），验证了高密度控制能力。该系统兼容传统光刻，可大规模制造。驱动器还能集成于3D曲面、框架或制成螺旋形状，实现复杂流场操控。

图3. 凝胶小纤毛阵列的动态弯曲运动

研究通过两种策略操控微流体。一是改变单元内纤毛的空间排布与密度。如图4a-c所示，在同步顺时针驱动下，纤毛居中、居四角或密集排列会分别产生不同的涡旋模式。二是通过可单独寻址的纤毛动态重编程流场。例如，外围纤毛产生异时波可形成中心逆时针涡旋（图4d）；区域化驱动可产生L形流（图4e）；交替列驱动可产生双向垂直流（图4f）；同心圆环驱动可建立嵌套涡旋（图4g）。粒子图像测速与轨迹跟踪结果均与模拟吻合，验证了流场设计的有效性。

图4. 凝胶小纤毛阵列的动态流体作

综上，当前驱动器在复杂离子环境中性能会下降。未来可通过优化凝胶单体组成（如引入极性更强单体）、进一步减小纤毛直径（≤2 μm）以加速离子迁移，以及采用3D微电极或减小电极间距来增强电场，以提升性能。随着凝胶微纤毛性能的持续改进，结合先进的微纳制造与柔性电子技术，预计此类驱动器将在精准微流体操控、靶向药物递送、组织工程、仿生软体机器人及微型机电系统等领域获得广泛应用。本研究不仅提供了一个研究仿生过程与主动边界条件的量化平台，也展现了水凝胶微驱动器与复杂微系统集成、拓展微尺度驱动策略的巨大潜力。

来源：高分子科技

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