3D打印科研突破：2024年《Science》和《Nature》上的十篇文章

2024年已經(jīng)過去，在這一年里，3D打印技術(shù)迎來了其發(fā)展歷程中的又一里程碑，這一年的研究突破不僅鞏固了3D打印作為制造業(yè)革命性力量的地位，更拓展了它在醫(yī)療、工程、材料科學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。Science和Nature這兩份國際頂尖學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的一系列論文，記錄了該年度內(nèi)3D打印領(lǐng)域的重要進展。

南極熊將帶您回顧2024年中那些激動人心的3D打印研究進展，看看科學(xué)家們是如何一步步推動這項技術(shù)向前發(fā)展的。通過了解這些創(chuàng)新，我們可以預(yù)見未來3D打印會給我們帶來更多的驚喜！

1、Science：3D打印可制造多色發(fā)光結(jié)構(gòu)

2024年1月16日，來自加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系、勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)部等的研究成員在光致發(fā)光領(lǐng)域取得突破，并借助3D打印技術(shù)制備了光致發(fā)光結(jié)構(gòu)。他們的研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表在了Science上，研究題目為Supramolecular assembly of blue and green halide perovskites with near-unity photoluminescence（具有近乎一致光致發(fā)光的藍色和綠色鹵化物鈣鈦礦的超分子組裝）。



從題目中不難發(fā)現(xiàn)，這篇文章主要關(guān)注的是鹵化物鈣鈦礦材料的合成及其在高效發(fā)光二極管（LED）中的應(yīng)用，但其中3D打印技術(shù)起到了關(guān)鍵作用：

●研究人員利用3D打印技術(shù)精確控制鹵化物鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。通過3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了鹵化物鈣鈦礦薄膜的高度均勻分布，這對于提高LED的性能至關(guān)重要。

●通過優(yōu)化3D打印工藝，研究人員成功地制備了具有接近100%光致發(fā)光量子產(chǎn)率的藍色和綠色鹵化物鈣鈦礦材料，高效的光致發(fā)光特性表明這些材料非常適合用于制造高效率的LED。

●利用3D打印技術(shù)制備的鹵化物鈣鈦礦LED展示了出色的亮度、穩(wěn)定性和色純度。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)使得制備的LED具有更高的均勻性和一致性，從而提高了整體性能。


△實現(xiàn)藍綠雙色3D打印。 (A) 多材料 3D 打印過程示意圖。 （B 和 C）白光 (B) 和 254 nm 紫外線 激發(fā)下的兩座 3D 打印發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (D) 254 nm 紫外線激發(fā)下的雙色發(fā)光埃菲爾鐵塔。 (E 到 H) 具有不同層次結(jié)構(gòu)和幾何形狀的共形和扭曲八位體桁架，包括立方八面體、十四面體和門格爾海綿結(jié)構(gòu)，分別具有藍色和綠色發(fā)射器或其組合。這些打印結(jié)構(gòu)在 254 nm 處進行光激發(fā)。

這項研究為利用3D打印技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量鹵化物鈣鈦礦LED提供了可能性。3D打印技術(shù)不僅有助于提高LED的效率，還可能降低生產(chǎn)成本并簡化制造過程。這種技術(shù)的進步對于推動未來顯示技術(shù)和照明領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

原文鏈接：DOI: 10.1126/science.adi4196

2、Science：“一箭雙雕”——實現(xiàn)超均勻、高強塑性的3D打印鈦合金

2024年2月8日，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院與澳大利亞昆士蘭大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)的聯(lián)合科研團隊在Science發(fā)表了題為Ultra-uniform, strong, and ductile 3D printed titanium alloy through bifunctional alloy design文章，提出一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計策略，為探索多種金屬粉末原料、可變的打印合金體系、不同的3D打印技術(shù)以及先進的多材料打印開辟了一條途徑。



研究人員表示，金屬3D打印過程中通常涉及多重物理和冶金現(xiàn)象，從而賦予打印構(gòu)件復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)和多樣的力學(xué)性能。但是在3D打印過程中，金屬經(jīng)常會形成粗大的柱狀晶粒和不均勻分布的相，這樣的組織結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致打印構(gòu)件的力學(xué)性能不均勻，同時也會降低構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，研究者們最初設(shè)想是尋求一種“一箭雙雕”的合金設(shè)計策略，從而直接通過3D打印獲得性能優(yōu)越和均勻的鈦合金。


△Mo納米顆粒的添加顯著提高了3D打印Ti-5553合金的力學(xué)性能及其均勻性

研究人員采用了雙功能合金設(shè)計策略，即通過合金元素的選擇和比例調(diào)整，以達到既增加合金強度又保持良好延展性的目的。雙功能合金設(shè)計使得3D打印的鈦合金具有超均勻的微觀結(jié)構(gòu)，這意味著材料內(nèi)部沒有明顯的局部差異，這有助于提高材料的整體性能�？偠�言之，研究團隊通過優(yōu)化3D打印工藝和合金成分，成功制備了具有超均勻微觀結(jié)構(gòu)的3D打印鈦合金，減少了材料內(nèi)部的缺陷，如裂紋、孔隙和其他不連續(xù)性，從而顯著提升了材料的機械性能，其屈服強度達926MPa，斷裂伸長率為26%，實現(xiàn)了強度與塑性的優(yōu)良匹配。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

3、Science：光固化3D打印“心臟創(chuàng)可貼”問世，可修復(fù)受損心臟

2024年8月3日，來自科羅拉多大學(xué)博爾德分校 (CU Boulder) 和賓夕法尼亞大學(xué)的研究小組率先開發(fā)出一種3D打印水凝膠材料工藝，這種材料既有彈性，又有粘性，而且有回彈性，可用于打印內(nèi)部繃帶以修復(fù)受損的心臟組織、軟骨補片或無針縫合線。研究以Additive manufacturing of highlyentangled polymer networks為題，發(fā)表在Science頂級期刊上。



這種彈性創(chuàng)可貼狀材料的制作得益于研究團隊開發(fā)的一種特殊 3D 打印工藝，此工藝稱為 CLEAR（通過氧化還原引發(fā)輔助的光照后連續(xù)固化），本質(zhì)上可以控制打印過程中材料分子的交聯(lián)。這是通過結(jié)合使用“明暗聚合”來實現(xiàn)的。研究人員表示，這種新穎的3D打印方法在室溫下即可實現(xiàn)高單體轉(zhuǎn)化率，無需額外的刺激，例如打印后的光線或熱量，并且能夠通過增材制造生產(chǎn)高度糾纏的水凝膠和彈性體，與傳統(tǒng)的 DLP 相比，其延伸能量高出四到七倍。


△ CLEAR技術(shù)打印的多種彈性形狀

研究人員已為這項技術(shù)申請了臨時專利，它不僅成功打印出比標(biāo)準(zhǔn) DLP 機器打印的部件更柔韌、更堅韌的材料，而且還具有粘性，可以粘在組織上。Burdick 實驗室的研究員 Matt Davidson 表示可以 3D 打印出強度足以支撐組織的粘合材料。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925

4、Nature：3D打印抗疲勞鈦合金取得突破性進展

2024年2月27日，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂團隊帶頭人張哲峰研究員在前期疲勞損傷機制和疲勞預(yù)測理論指導(dǎo)下，與輕質(zhì)高強材料研究部楊銳研究員團隊開展合作，提出了一種通過單獨調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)和缺陷來制造抗疲勞3D打印鈦合金的創(chuàng)新策略，稱為凈增材制造制備（NAMP），研究成果于2024年2月29日以題為High fatigue resistance in a titaniumalloy via near void-free 3D printing發(fā)表在Nature正刊上。



研究人員表示，理想狀態(tài)下3D打印技術(shù)直接制備出的鈦合金組織（稱為Net-AM組織）應(yīng)具有天然優(yōu)異的疲勞性能，而打印過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷掩蓋了其自身組織抗疲勞的優(yōu)點，導(dǎo)致實際測量的3D打印材料疲勞性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲勞性能的關(guān)鍵在于消除打印氣孔的同時，需要盡可能保留原始打印的組織狀態(tài)。然而，目前消除氣孔的工藝往往伴隨組織粗化，而細化組織的處理又會帶來氣孔復(fù)現(xiàn)，甚至引發(fā)晶界α相富集等新的不利因素，可謂進退兩難。


△打印態(tài)、NAMP態(tài)以及其他兩種典型狀態(tài)3D打印鈦合金組織和缺陷特征：（a）打印態(tài)；（b）熱等靜壓（HIP）態(tài)；（c）Near-net-AM態(tài)；（d）Net-AM態(tài)。

幸運的是，研究人員在Ti-6Al-4V合金中首次發(fā)現(xiàn)，高溫下3D打印態(tài)組織的晶界遷移及氣孔長大與相轉(zhuǎn)變過程表現(xiàn)出異步的特性，即存在一個熱處理工藝窗口，既可實現(xiàn)板條組織細化，又能有效抑制晶界α相富集及氣孔復(fù)現(xiàn)。為此，研究人員巧妙地利用了這一工藝窗口，發(fā)明了缺陷與組織分步調(diào)控的NAMP新工藝（Net-Additive Manufacturing Process），最終制備出幾乎無氣孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。NAMP工藝步驟主要包括用于消除微孔的熱等靜壓 (HIP) 以及隨后用于恢復(fù)增材制造微觀結(jié)構(gòu)的高溫短時 (HTSt) 熱處理具有細小的馬氏體板條，可以成功地使鈦合金恢復(fù)幾乎無空隙的Net-AM顯微組織。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

5、Nature：基于連續(xù)液體界面技術(shù)生產(chǎn)制造特定形狀的顆粒

2024年3月13日，來自美國斯坦福大學(xué)的Joseph M. DeSimone等研究者介紹了一種可擴展的且高分辨率的3D打印技術(shù)，用于基于卷對卷連續(xù)液界面生產(chǎn)(r2rCLIP)的形狀特定顆粒的制造。相關(guān)論文以題為Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles于2024年03月13日發(fā)表在Nature上。



研究探討了高分辨率3D打印技術(shù)，特別是CLIP（連續(xù)液界面生產(chǎn)）方法在微細結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。研究團隊開發(fā)了一種名為r2rCLIP的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在柔性基底上快速、連續(xù)地打印出具有復(fù)雜三維形態(tài)的微粒子。通過優(yōu)化打印參數(shù)如光劑量、灰度處理和光學(xué)近似校正等，研究人員實現(xiàn)了對固化深度的高度控制，減少了過固化現(xiàn)象，并能精細調(diào)整每個體素內(nèi)的特性。


△Roll-to-roll-CLIP是具有復(fù)雜幾何形狀的粒子的快速制造工藝

研究探究了不同樹脂組合物對于打印效果的影響，展示了從低到高的穿透深度以及相應(yīng)的固化深度測量結(jié)果。實驗采用了金/鈀涂層來增強掃描電子顯微鏡下的成像質(zhì)量。同時，作者們討論了如何利用橋接測試方法確定樹脂的固化特性曲線，從而為選擇合適的打印條件提供指導(dǎo)。

這項工作不僅提升了3D打印技術(shù)的精度，也為制造具有特定功能的微米級顆粒鋪平了道路，有望應(yīng)用于藥物遞送、組織工程和其他領(lǐng)域。研究強調(diào)了材料特性的選擇對于成功實現(xiàn)高分辨率打印的重要性，包括光折射與衍射、穿透深度及凝膠化所需的關(guān)鍵曝光劑量等因素。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07061-4

6、Nature：新型環(huán)保3D打印材料突破——利用天然成分實現(xiàn)高效可逆光聚合

2024年5月15日，南極熊獲悉，來自伯明翰大學(xué)的研究者們通過真空光聚合的方法對光致聚合樹脂進行增材制造，可以實現(xiàn)定制3D打印零件的快速制造。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為A renewably sourced, circular photopolymer resin for additive manufacturing。



研究者們提出了一種創(chuàng)新的3D打印材料，通過使用含有應(yīng)變環(huán)二硫化物（如天然來源的α-硫辛酸）的樹脂體系，在保持足夠高的二硫化物濃度以支持快速固化的同時，避免了傳統(tǒng)添加劑帶來的不可逆性問題。研究人員將α-硫辛酸與可持續(xù)資源衍生的山梨醇和薄荷醇結(jié)合，制備出兩種化合物——山梨醇硫辛酸酯（IsoLp2）作為多價交聯(lián)劑，以及薄荷基硫辛酸酯（MenLp1）作為反應(yīng)型稀釋劑。這兩種物質(zhì)混合后形成穩(wěn)定的打印樹脂，其中MenLp1起到了穩(wěn)定作用，防止了IsoLp2在儲存期間因自交聯(lián)而凝膠化。


△光固化樹脂的3D打印及其回收利用

該樹脂系統(tǒng)不僅表現(xiàn)出良好的環(huán)境穩(wěn)定性，而且其合成過程也考慮到了綠色化學(xué)原則，采用更安全、毒性較低的試劑和溶劑。這種新材料使得3D打印件可以在光照下發(fā)生可逆的聚合反應(yīng)，為未來的回收再利用提供了可能性，并且減少了對環(huán)境的影響。此外，技術(shù)還展示了優(yōu)異的打印精度和機械性能，有望推動3D打印行業(yè)的進一步發(fā)展。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07399-9

7、Nature：微納3D打印可注射超聲傳感器，用于顱內(nèi)生理信號監(jiān)測

2024年6月5日，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團隊攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風(fēng)險和術(shù)后并發(fā)癥等問題，同時避免現(xiàn)有無線電子傳感器體積過大、無法體內(nèi)降解等臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals為題在線發(fā)表于Nature期刊。



研究團隊設(shè)計并制造了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過計算機模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學(xué)帶隙，對入射超聲波有很強的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個月后可自然降解，無需再次開顱取出。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設(shè)計原理--基于超聲反射的超凝膠無線顱內(nèi)生理傳感器示意圖。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

8、Nature：新型3D打印彈性體材料突破強度與韌性極限

2024年7月，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院謝濤、吳晶軍研究團隊最近3D打印出一根“超級橡皮筋”，它能拉伸到自身長度的9倍以上，直徑約1毫米的“身軀”能提起一包10公斤的大米，其性能遠超其他3D光固化打印彈性體。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為3D printable elastomers with exceptional strength and toughness。



研究人員開發(fā)了一種用于3D打印的光固化樹脂，該樹脂能生成具有非凡強度和韌性的彈性體。通過引入動態(tài)共價鍵，這種材料允許網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)，促進了層級氫鍵（特別是酰胺氫鍵）、微相分離及互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，這些特性共同作用賦予了材料卓越的機械性能。經(jīng)熱后固化6小時，彈性體的拉伸強度達到了94.6 MPa，韌性為310.4 MJ m^-3，遠超現(xiàn)有3D打印彈性體。


△“超級橡皮筋”拉伸前后對比圖。左圖為拉伸前，右圖為拉伸后。

此材料在汽車、建筑、消費產(chǎn)品等傳統(tǒng)領(lǐng)域以及微流控、軟機器人、可穿戴電子和醫(yī)療器械等新興領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。研究團隊來自浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等多個機構(gòu)，其成果有望推動3D打印技術(shù)在大規(guī)模制造中的應(yīng)用。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6

9、Nature：聲光結(jié)合，動態(tài)界面3D打印技術(shù)打造未來制造新范式

2024年10月30日，南極熊獲悉，來自澳大利亞的研究學(xué)者提出了一種新的3D打印方法——動態(tài)界面打印，利用聲學(xué)調(diào)制的受限氣液邊界，在幾十秒內(nèi)快速生成厘米級的3D結(jié)構(gòu)。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在Nature上，題目為Dynamic interface printing（動態(tài)界面打�。�。



體積打印技術(shù)因其能夠快速制造自由浮動且各向同性的結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注，但這種方法同樣面臨著對專業(yè)光學(xué)系統(tǒng)或特殊材料配方的需求，從而限制了其更廣泛的應(yīng)用。來自澳大利亞墨爾本大學(xué)的研究團隊提出了一種全新的3D打印技術(shù)——動態(tài)界面打印（Dynamic Interface Printing, DIP）。該技術(shù)利用一個開放底部并密封透明玻璃窗口頂部的空心打印頭，通過聲學(xué)驅(qū)動產(chǎn)生受控的氣-液界面，以此來實現(xiàn)物體的快速生成。這一創(chuàng)新方法不僅避免了傳統(tǒng)技術(shù)中所需的復(fù)雜反饋系統(tǒng)和特定化學(xué)物質(zhì)，而且能夠在幾秒鐘到幾十秒的時間范圍內(nèi)完成厘米級別的3D結(jié)構(gòu)打印。


△DIP創(chuàng)新方法利用空心打印頭和氣液彎月面，通過調(diào)節(jié)氣壓和聲波實現(xiàn)高速、無層的3D打印

DIP的獨特之處在于能夠動態(tài)調(diào)節(jié)打印頭內(nèi)的壓力，從而允許在打印過程中控制彎液面的形狀和位置。這種調(diào)制可以是固定的，形成靜態(tài)彎月面，但是也可以在振幅和頻率范圍內(nèi)對界面進行聲學(xué)調(diào)制，以形成毛細重力波。彎月面在任何給定時刻的精確位置由打印頭的垂直位置、打印頭內(nèi)的靜態(tài)空氣壓力以及聲調(diào)制的振幅和頻率的疊加決定。這種振蕩致動可以連續(xù)激活或者在投影之間瞬時激活。

這種全新的3D打印方法，不僅克服了現(xiàn)有技術(shù)的速度瓶頸，還拓展了適用材料的范圍，特別是對于軟質(zhì)和生物相關(guān)材料的支持。此外，DIP技術(shù)展現(xiàn)出了在無需專用化學(xué)物質(zhì)或光學(xué)反饋系統(tǒng)的條件下，快速生成任意無支撐結(jié)構(gòu)的能力，這對于高存活率的組織工程、規(guī)�；�生產(chǎn)和快速原型制作等領(lǐng)域具有重要意義。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6

10、Nature：3D 打印賦能鳥類起飛機制研究，助力新型仿生機器人 RAVEN的制造

2024年12月4日，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的研究人員在Nature上發(fā)表了關(guān)于仿生機器人 RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) 的最新研究成果，題目為Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs。此機器人模仿鳥類，能夠行走、跳躍和飛行，并利用受鳥類啟發(fā)的起飛機制，實現(xiàn)了高效的空中-地面過渡。3D 打印技術(shù)在 RAVEN 的制造過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，賦能了這項突破性研究。



RAVEN 的核心創(chuàng)新在于其受鳥類后肢啟發(fā)的仿生腿部機構(gòu)，與復(fù)雜的鳥類腿部結(jié)構(gòu)不同，RAVEN 的腿部設(shè)計簡化到只有臀部、踝部和腳部三個主要部分，并通過控制臀部和踝部關(guān)節(jié)來實現(xiàn)行走、跳躍和飛行等多種運動模式。


△受鳥類啟發(fā)的機器人設(shè)計和功能

為了實現(xiàn)這一設(shè)計，研究人員大量應(yīng)用了 3D 打印技術(shù)。RAVEN 的許多關(guān)鍵部件，包括齒輪箱、腿部連接件、腳部結(jié)構(gòu)以及機身框架等，都是使用3D打印機Ultimaker S5以及高韌性PLA材料制成的。這種制造方式不僅可以快速構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，還能夠根據(jù)需要調(diào)整設(shè)計參數(shù)，從而優(yōu)化機器人的性能。例如，RAVEN 的腳部設(shè)計采用了扁平足結(jié)構(gòu)，并通過 3D 打印技術(shù)在腳趾處集成了被動彈性關(guān)節(jié)，以增強其在陸地運動和地面-空中過渡過程中的穩(wěn)定性和靈活性。此外，3D 打印還使得研究人員能夠快速迭代設(shè)計，并在實驗中不斷改進 RAVEN 的性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08228-9

總結(jié)
在2024年，Science和Nature兩大頂尖學(xué)術(shù)期刊共發(fā)表了十篇聚焦于增材制造（即3D打�。╊I(lǐng)域的突破性研究，這些研究拓展了技術(shù)邊界、預(yù)示著制造業(yè)的未來。研究涵蓋了從新型材料開發(fā)、超快打印技術(shù)到生物兼容性應(yīng)用等多個方面；探索了增材制造在軟機器人、醫(yī)療設(shè)備、電子元件等前沿科技中的潛力；展示了該技術(shù)如何改變我們生產(chǎn)和使用復(fù)雜定制化產(chǎn)品的模式。隨著這些新技術(shù)逐漸走向商業(yè)化，一個更加靈活高效且可持續(xù)發(fā)展的制造行業(yè)正在成型。