可上下转换的嵌入式墨水书写策略实现软物质三维架构自主成型

《Nature Communications》：Up-and-down transformable embedded ink writing strategy for soft 3D architectures

传统嵌入式3D打印受限于流变学复杂性和喷嘴依赖性结构限制。本研究提出可转换嵌入式墨水书写（TEIW）策略，通过触发二维打印图案快速自主组装成预定义三维结构，利用牛顿流体浴中密度差驱动的重力-浮力作用，实现了硅酮弹性体、光固化树脂和水凝胶等多种材料的复杂三维构造，为软机器人、可穿戴设备和生物工程提供了新平台。

　　

在软机器人、可穿戴设备和生物医学工程等领域，三维软材料架构的制备一直是技术发展的核心挑战。传统的嵌入式3D打印技术虽然能够实现自由形貌的制造，但面临着流变学兼容性要求高、喷嘴长度限制结构高度、以及打印过程中喷嘴干扰导致几何失真等问题。这些限制不仅影响了打印效率和质量，也制约了材料选择和应用范围的拓展。

近日发表在《Nature Communications》上的研究提出了一种创新的可转换嵌入式墨水书写（Transformable Embedded Ink Writing, TEIW）策略，通过巧妙的物理原理实现了二维图案到三维结构的自主转化。该技术摒弃了传统依赖屈服应力支撑浴的方法，转而采用牛顿流体作为打印环境，利用墨水与浴液之间的密度差产生的净重力-浮力作为驱动力，使打印的丝状结构在无需外部干预的情况下自动组装成预设的三维形态。

为了验证这一策略，研究团队首先建立了理论模型来分析丝状结构的运动规律。根据修正的斯托克斯定律，丝状结构的终端沉降速度与密度差（Δρ）的平方成正比，与浴液粘度（η）成反比。通过精确控制打印参数（挤出压力P和喷嘴速度v），可以调控丝状的直径（d），进而实现对沉降速度的编程控制。实验表明，通过调整这些参数，丝状结构可以在几秒到几分钟内完成从二维到三维的转化，转化后的结构通过红外或紫外光固化快速稳定。

研究团队展示了TEIW策略的四种制造模式：独立结构、整体结构、中空结构和混合打印。在混合打印模式下，不同材料可以分步打印在同一浴液中，其中一种材料保持静态（类似传统嵌入式打印），另一种材料则进行TEIW转化，实现了多功能器件的无缝集成。

在材料适用性方面，TEIW策略成功应用于硅酮弹性体、光固化丙烯酸树脂和Pluronic F-127水凝胶等多种材料系统。例如，利用硅酮弹性体打印的花状结构，通过速度梯度控制花瓣与中心区域的差异沉降，在250秒内完成了自主三维成型；光固化树脂系统则利用高密度差实现了20秒内的快速转化；而水凝胶牺牲墨水则用于制造可灌注的微流体通道。

更令人印象深刻的是，研究团队通过混合打印技术实现了导电电路与微流体通道的一体化制造。首先打印的Pluronic F-127水凝胶丝由于直径小、密度差小，保持静态形成血管网络模板；随后打印的导电墨水则通过TEIW自主转化为螺旋结构，最终形成了具有感知功能的集成器件。此外，研究还展示了一种刺激响应加密系统，将荧光图案嵌入热致变色弹性体中，通过温度控制实现信息的可逆加密与解密。

关键技术方法包括：基于修正斯托克斯定律的动力学模型建立，牛顿流体支撑浴的配制与表征，通过挤出压力（P）和喷嘴速度（v）精确控制丝状直径的打印参数优化，以及红外诱导热固化、紫外光固化和牺牲墨水溶解等多种固化方法的组合使用。

研究结果部分通过多个实验系统验证了TEIW策略的有效性：

transformation dynamics governed by material physics

通过系统研究不同墨水-浴液组合，证实密度差（Δρ）是驱动丝状结构运动的关键因素。当ρ_ink> ρ_bath时丝状下沉，反之则上浮。在Δρ = +0.050 g/cm³的系统中，5分钟内实现了4.6 mm的垂直位移。界面张力接近零的硅酮体系有效防止了Plateau-Rayleigh不稳定性的发生。

printing parameters regulation

研究表明丝状直径（d）与终端速度（v_t）的平方成正比（v_t∝ d²）。通过协调不同直径丝状的打印时间差（Δt），可以实现多丝状的同步沉积或预设偏移。当直径低于270 μm时，丝状进入"静态区"，可在显著位移前快速固化，实现类似传统嵌入式打印的精确定位。

3D structural construction

通过编程压力/速度梯度，成功制备了螺旋线、波形结构、双螺旋和四面体等复杂架构。例如，通过分段控制流速，在连续丝状上产生交替的扭矩，促使结构扭曲成稳定的双螺旋形态；而通过中心区域与边缘的速度差，触发三角形图案沿预定义边缘同时向上折叠，形成四面体结构。

material versatility and functionality

TEIW展示了广泛的材料兼容性，包括形成整体结构的硅酮弹性体、可独立支撑的光固化树脂以及可形成灌注网络的水凝胶牺牲墨水。混合打印实现了静态水凝胶支架与动态导电墨水的协同集成，创造了具有感知功能的血管化电路系统。

研究结论表明，TEIW策略通过简单的二维打印和自主三维转化，克服了传统嵌入式打印的流变学限制和结构高度限制。该技术不仅实现了复杂三维结构的快速制造，更重要的是实现了功能组件（如流体、电学和结构元件）在单次打印中的并发集成，为需要时空材料控制的下一代集成系统开辟了新途径。未来通过多物理场仿真、预测控制算法和多入口实时密度控制系统的集成，将进一步提升TEIW的精度和组合多样性，为按需制造复杂智能器件铺平道路。