嵌入式挤出-体积打印技术实现多材料与中空结构的高效增材制造

本研究通过创新性结合嵌入式3D打印(EMB3D)与体素化光聚合(TVAM)技术，开发了嵌入式挤出-体积打印(EmVP)新工艺，成功解决了传统体积增材制造难以实现多材料自由分布和微通道精准成型的核心难题。该技术通过光固化支撑浴定位功能材料，同步实现120μm级微通道和弹性模量差异达95MPa的多材料结构一体化成型，为微流控芯片和功能梯度器件提供了高效制造方案。

　　

在3D打印技术蓬勃发展的今天，传统制造方法仍面临两大"卡脖子"难题：如何像生物组织般实现多材料自由排布？怎样高效制造头发丝粗细的复杂微通道？德国弗莱堡材料研究中心(Freiburg Materials Research Center, FMF)的Silvio Tisato团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，给出了令人振奋的解决方案。

研究人员独辟蹊径地将嵌入式3D打印的精准定位能力与体积增材制造的高速固化特性相结合，创造出"嵌入式挤出-体积打印"(Embedded Extrusion-Volumetric Printing, EmVP)新技术。就像在果冻中注入不同颜色的果汁再进行整体定型，该技术先用针头在光固化支撑浴中精准注入功能材料（正过程）或牺牲墨水（负过程），再通过旋转曝光实现秒级整体成型。这种"先绘图后显影"的制造理念，成功突破了传统体积打印的材料单一性和分辨率限制。

研究团队主要运用三大核心技术：一是光流变调控技术，通过添加7-8wt%气相二氧化硅(Aerosil R805)使树脂兼具剪切稀化特性和2000mPa·s以上粘度；二是多材料同步固化技术，通过匹配二丙烯酸酯(HDDA)与聚氨酯丙烯酸酯(G1122TF)的凝胶时间（59.8s vs 64.7s）实现异质材料共固化；三是微通道成型技术，采用Pluronic PE3100牺牲墨水实现119μm级通道精准成型，较纯TVAM工艺提升4倍分辨率。

正过程EmVP
通过靶向沉积和区域沉积两种策略，成功制造出弹性模量相差95MPa的刚柔复合结构。其中骨架球体展示出受压时单侧屈曲的智能响应特性，而嵌入增强环的气动致动器在负压驱动下呈现可控弯曲变形。Hausdorff距离分析显示成型精度达0.23±0.28mm，突破传统嵌入式打印的"墨水渗出"难题。

负过程EmVP
采用150μm针头配合非光固化牺牲墨水，在圆柱形芯片中成型出螺旋缠绕的228μm微通道。CT扫描证实通道截面圆度优于直接TVAM成型，且打印时间缩短至3分钟内，为器官芯片等应用提供新可能。

流变与光学表征
光流变测试揭示材料凝胶时间差异控制在5秒内，吸收系数在450nm波长下匹配（Mat1:0.25mm^-1，Mat2:0.15mm^-1）。应力恢复实验显示支撑浴1.7秒即可恢复固态行为，确保沉积结构稳定性。

这项研究标志着体积增材制造从单一材料走向功能化设计的重大跨越。其创新价值体现在三方面：一是首次实现多材料体素化自由排布，为仿生结构制造打开新维度；二是创造性地将牺牲墨水引入TVAM工艺，突破光学衍射极限对微通道精度的限制；三是开发出普适性材料工程策略，使常规低粘度树脂（10-50mPa·s）也能用于高速体积打印。正如研究者Dorothea Helmer指出，该技术无需复杂光学系统改造即可提升制造能力，为微流控、软体机器人等领域带来新的技术选项。未来通过扩展材料体系与优化算法，这种"嵌入式+体积"的混合制造范式有望成为多尺度功能器件制造的通用平台。