體積3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，生物3D打印這次發(fā)Nature reviews materials！

來(lái)源：EngineeringForLife

3D打印技術(shù)以其高設(shè)計(jì)自由度、快速原型制作、減少材料浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、多功能材料和多材料打印、減少工具和模具需求、提高產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)創(chuàng)新、可持續(xù)性、醫(yī)療領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、教育和培訓(xùn)、空間探索和遠(yuǎn)程制造、藝術(shù)和文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)以及供應(yīng)鏈優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，正在改變傳統(tǒng)的制造方式，并為各行業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，3D打印將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。

在近一年時(shí)間內(nèi)，3D打印發(fā)文涵蓋了多篇Nature、Science的正刊和子刊，以上是列舉出來(lái)的部分研究成果，主要包含的領(lǐng)域包括：

材料科學(xué)：3D打印技術(shù)用于制造具有特殊性能的材料，例如具有高彈性和韌性的可打印彈性體，以及通過(guò)界面結(jié)合增強(qiáng)的熱電冷卻材料。這些材料在工程和工業(yè)應(yīng)用中具有潛在的價(jià)值。

生物醫(yī)學(xué)工程：3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括制造用于研究的人體器官模型，如陰莖模型，用于研究勃起功能障礙和恢復(fù)性功能。此外，還包括制造用于藥物測(cè)試和疾病模型構(gòu)建的生物打印活細(xì)胞結(jié)構(gòu)。  

納米技術(shù)：3D打印技術(shù)在納米尺度上的應(yīng)用，如自由空間直接納米尺度3D打印金屬和合金，通過(guò)雙光子分解和超聲快速捕獲實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)在納米制造和納米材料研究中具有重要意義。

熱電材料：3D打印技術(shù)用于制造熱電材料，這些材料能夠?qū)�熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，或反之。通過(guò)3D打印，可以設(shè)計(jì)和制造具有優(yōu)化熱電性能的材料結(jié)構(gòu)。

化學(xué)物理：3D打印技術(shù)在化學(xué)物理領(lǐng)域的應(yīng)用，如可重構(gòu)的水凝膠3D打印，具有自適應(yīng)雙鎖功能。這種材料在軟機(jī)器人和智能材料領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

材料行為研究：3D打印技術(shù)用于研究材料的動(dòng)態(tài)行為，例如通過(guò)3D打印制造的液態(tài)晶體彈性體的普適化驅(qū)動(dòng)行為。這種研究有助于理解材料在不同條件下的性能。

聚合物網(wǎng)絡(luò)：3D打印技術(shù)用于制造高度糾纏的聚合物網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在材料科學(xué)中具有重要應(yīng)用，如制造具有特定機(jī)械性能的塑料和復(fù)合材料。

微流控和光學(xué)元件：3D打印技術(shù)在微流控和光學(xué)元件制造中的應(yīng)用，如制造微流控設(shè)備和光學(xué)元件。這些元件在生物醫(yī)學(xué)研究、化學(xué)分析和光學(xué)系統(tǒng)中具有重要用途。

這篇文章是一篇由荷蘭烏得勒支大學(xué)Riccardo Levato團(tuán)隊(duì)關(guān)于體積3D打印技術(shù)的綜述文章，標(biāo)題為《The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing》，發(fā)表在《Nature Reviews Materials》上。文章詳細(xì)介紹了體積3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，包括材料化學(xué)、工藝工程、硬件和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，并探討了該技術(shù)在光學(xué)、光子學(xué)、軟體機(jī)器人和生物打印等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和未來(lái)發(fā)展方向。

1.主要內(nèi)容：

圖1不同體積3D打印技術(shù)概述

體積3D打印技術(shù)的兩大類別：基于光的體積3D打印技術(shù)（VAM）和基于聲的體積3D打印技術(shù)。圖中具體介紹了多光束疊加打印、層析打印、光片打印、單體直接聲打印、深穿透聲學(xué)體積打印以及全息直接聲打印等技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。這些技術(shù)通過(guò)不同的方式利用光或聲能量，在材料體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的化學(xué)反應(yīng)，從而快速制造出三維結(jié)構(gòu)。每種技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景，例如光片打印利用光片和正交投影的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)材料的交聯(lián)反應(yīng)，而聲學(xué)技術(shù)則利用聚焦超聲波實(shí)現(xiàn)材料的固化。   

圖2 體積打印技術(shù)的主要里程碑和未來(lái)發(fā)展方向

以時(shí)間線的形式總結(jié)了體積打印技術(shù)自2017年以來(lái)的主要突破和未來(lái)幾年的預(yù)期發(fā)展。圖中列出了多種體積打印技術(shù)，如多光束疊加、層析打印、光片打印、聲學(xué)打印和超聲全息技術(shù)等，并標(biāo)注了每種技術(shù)首次被展示的時(shí)間點(diǎn)。此外，還預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展方向，包括利用磁場(chǎng)、微波、X射線等其他物理場(chǎng)進(jìn)行體積打印，連續(xù)生產(chǎn)、材料化學(xué)感知打印、全息體積打印、新型光正交化學(xué)、人工智能和成像驅(qū)動(dòng)的計(jì)量學(xué)和打印技術(shù)等。這些里程碑和發(fā)展方向展示了體積打印技術(shù)的快速發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景。  

圖3 體積打印樹脂的關(guān)鍵成分

展示了體積3D打印中使用的樹脂材料的關(guān)鍵成分，包括引發(fā)劑、構(gòu)建塊和添加劑。引發(fā)劑是將不同刺激（如光和聲）轉(zhuǎn)化為化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵分子，常見的有單色光引發(fā)劑、雙色光引發(fā)劑和聲引發(fā)劑。構(gòu)建塊包括單體、交聯(lián)劑和（生物）聚合物，它們?cè)诖蛴〈碳は掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)。添加劑則用于改善形狀保真度和分辨率，例如流變調(diào)節(jié)劑、折射率匹配劑和對(duì)比度增強(qiáng)劑。這些成分共同作用，使樹脂能夠在體積打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確的化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)形成。

圖4 體積打印技術(shù)的新興應(yīng)用領(lǐng)域

通過(guò)示意圖展示了體積打印技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。圖4a展示了體積打印技術(shù)在制造陶瓷、玻璃和光學(xué)元件方面的應(yīng)用，這些材料通過(guò)光聚合有機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后在燒結(jié)步驟中成型。圖4b展示了體積打印技術(shù)在軟體機(jī)器人和自由移動(dòng)部件制造中的應(yīng)用，利用軟材料和設(shè)計(jì)自由度制造具有復(fù)雜幾何形狀和功能的軟體機(jī)器人。圖4c則展示了體積打印技術(shù)在生物打印領(lǐng)域的應(yīng)用，包括生物打印活細(xì)胞、生物分子圖案化和工程化活材料等，這些應(yīng)用展示了體積打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力。

全文總結(jié)：
本文綜述了體積3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，涵蓋材料化學(xué)、工藝工程、硬件和計(jì)算技術(shù)等方面。體積3D打印通過(guò)光或聲場(chǎng)在材料體積內(nèi)直接制造三維結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)逐層制造的局限性，實(shí)現(xiàn)了快速、無(wú)層制造。文章詳細(xì)介紹了多種體積打印技術(shù)，如光學(xué)層析打印、光片打印和聲學(xué)打印等，并討論了這些技術(shù)在光學(xué)元件、軟體機(jī)器人和生物打印等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。此外，文章還探討了未來(lái)發(fā)展方向，包括硬件和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步、多材料和多技術(shù)制造的可能性，以及新材料設(shè)計(jì)的重要性。總體而言，體積3D打印技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，有望推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。   

參考資料：
https://doi.org/10.1038/s41578-025-00785-3