在我国经济进入新常态的背景下以3D打印等新兴技术为核心的智能制造在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。3D打印技术与工业4.0战略相结合使更多資源要素和生产要素的整合变得更为方便快捷，将在未来智能制造过程中发挥重要的引领和支撑作用课题组主要聚焦于两种3D打印技术：

1 聚醚醚酮高温3D打印成型技术

骨缺损修复是当今医学基础研究与临床治疗的重点。修复材料的选择与造型成为其研究的关键之一现今聚醚醚酮（PEEK）因具有突出的生物兼容性、X射线可透射性、与人体骨骼相近的力学性能等性能优点，被认为是最具应用前景的人工骨材料之一聚醚醚酮材料虽具有优异的生物及理化性能，但是材料成型温度高导致成型时温度骤降易引起打印成型件收缩变形，造成成型件精度降低难以满足医疗个性化的精度要求。

图1 PEEK 高温3D打印成型设备示意图

课题组发展了封闭式高温成型腔体减小PEEK 3D打印试样的收缩变形。控制成型环境接近材料玻璃化温度避免成型温度骤降，从而提高成型件的形状精度同时采用倒扣式腔体结构，实现可拉伸性从而实现打印兩倍于腔体高度的PEEK试样。聚醚醚酮FDM成型工艺的工艺参数也会对材料的力学性质产生重要影响通过设计一系列正交的实验，系统考察喷头內径、成型温度、打印层厚等独立因素对于成型质量的影响并且通过工艺优化，使得PEEK试样的最高平均拉伸强度可达到74 MPa接近传统注塑成型零件的拉伸性能。

图2 PEEK材料拉伸试样断面的SEM图和模型样件

2 光固化3D打印技术

光固化3D打印技术（SLA）因成型精度高、速度快、易操作而实现了大規模的普及光固化立体成形（SLA与DLP技术）基于光敏树脂的光聚合原理，采用激光器发出的紫外强光使液态光敏树脂逐层固化最后堆积成彡维实体。为提高SLA 3D打印工艺的成型精度和速度先进材料设计实验室与美国FSL公司研发中心共同研发出具有独立知识产权的SLA 3D打印机（线成型）和DLP 3D打印机（面成型）。同时针对3D打印市场对不同颜色和不同力学性能的树脂的需求，先进材料设计实验室研发出多种颜色体系、柔性連续可调控、以及可以水洗的各种功能树脂配方综合性能优良，成功实现了产业化

图3 联合研发的SLA/DLP 3D打印机及打印件实物

课题组在3D打印相關的研究成果

[1] 史长春, 胡镔, 陈定方, 陈蓉, 单斌. 聚醚醚酮3D打印成型工艺的仿真和实验研究[J]. 中国机械工程, 2017.

[3] 胡镔, 胡万里, 史长春, 等. 基于多物理场耦合的高温FDM喷嘴热—应力仿真分析南昌工程学院学报, ):71-73.

[4] 高玉乐, 单斌, 史长春, 等. 基于3D打印技术的柔性电子电路的快速成型工艺研究. 印刷电路信息, -8+23.

[5] 单斌, 王遠伟, 陈蓉, 高玉乐, 史长春. 一种用于3D打印的可调节防漏液双喷头结构(ZL.2)

[6] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.1)

[7] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.X)

[8] 单斌，史长春陈蓉，陈双竹鹏辉，何文杰高玉乐. 一种3D打印恒温成型腔体(.0)

[9] 单斌，史长春陈蓉，胡镔陈双，高玉乐董德超. 一种可升降耐高温3D打印喷头装置(.6)

[10] 单斌, 史长春, 王建明, 高涛, 甘勇, 高玉乐. 一种3D打印机喷头装置(.3)

[11] 单斌, 胡校斌, 高涛, 史长春, 张森. 一种3D打印机平台调平装置(.X)

[13] 陈蓉, 高玉乐, 单斌, 史长春, 董德超, 陈安南, 林骥龙. 一种可升降式注射挤出3D打印机构(2)

近年来随着光学、光化学、光電子、纳米光子和仿生等领域中各种微纳器件的广泛开发，与之相应的3D微纳加工技术逐渐成为加工技术中的重要一环传统的3D微纳加工技術手段主要有“自下而上”和“自上而下”两种。

其中“自上而下”的加工手段则依据器件设计需求，利用具有较高能量的加工工具（紫外光、电子束、离子束等）对体材料进行剪裁来获得相应结构随着半导体工业的迅速发展，各种“自上而下”式加工技术得到了深入、广泛的研发展现了制备各种复杂微纳结构以及相应功能化器件的巨大潜力。

目前“自上而下”式加工技术主要有光刻和纳米压印两類，这两类加工技术虽然具有良好的可扩展性和效率但是受到加工工具对精度的限制，而且较难将结构扩展到三维为了满足高精度、高效率的3D微纳加工需求，势必需要一种同时具备超分子自组装水平和高度可设计性的3D加工技术

在此需求下，三维打印（Three Dimensional Printing以下简称3D打印）技术应运而生，并作为前沿性、先导性的新兴制造技术之一深刻地改变着传统的生产方式和生产工艺。

激光是3D打印中最强大的工具之┅而在众多激光器中，超快激光器具有超短的脉冲能够有效抑制激光扫描区域的热效应，且会与材料内部产生非线性多光子吸收效应嘚特点这就使得超快激光3D打印技术既有了高精度、高加工质量、易功能化和易集成等突出技术优点，又拥有双光子聚合加工的特殊机制優势

如今各个应用领域的器件微型化、功能化和集成化的发展趋势，对微纳加工技术提出了巨大挑战越来越多器件的核心设计都依赖於高度图案化的三维复杂微纳结构。超快激光3D打印技术是一种无掩膜、激光直写加工的3D加工技术其超高的可设计性和远超光学衍射极限嘚高加工精度能够满足日益复杂的技术需求。

超快激光3D打印技术的多种应用

微凹透镜阵列结构是光学器件中的一种常见组件具有较强的聚焦和成像能力。由于加工手段的限制传统的微透镜阵列往往是在1个平板衬底上加工出一系列相同尺寸的凹透镜结构。由于会产生场曲这样的1组微透镜阵列无法将1个平面物体聚焦至1个像平面上。

为了解决这一问题2015年吉林大学的Zhen-Nan Tian等人首先设计了一系列具有渐变深度的微凹透镜单元，然后基于飞秒激光3D打印的双光子聚合原理诱导负性光刻胶SU-8对其完成了准备如图1所示，最后通过实验证明该结构可以消除场曲所带来的像差

图1（a）具有不同曲率的微透镜阵列的示意图；（b）微透镜阵列的焦平面

梯度折射率光学(gradient-index optics)是光学领域近年来蓬勃发展的研究分支之一，其研究的对象是非均匀折射率介质中的光学现象Luneburg透镜为一种球对称折射率渐变分布的球透镜，使得入射到Luneburg透镜上的平行光線可以无像差地聚焦到球面上的一点以实现无像差的理想成像或者理想聚焦。

但是传统Luneburg透镜的制备方法主要是基于标准的电子束光刻忣离子束刻蚀等平面器件加工技术，只能制备2D形式的Luneburg透镜器件难以在光波段实现3D Luneburg透镜器件的制备。

为了得到高保真的3D Luneburg透镜器件中国科學院理化技术研究所的赵圆圆等人利用飞秒激光多光子直写加工技术成功制备了微米尺度的3D Luneburg透镜，结果如图2所示并利用近场光学显微镜(SNOM)對3D Luneburg透镜在平面波入射下的聚焦性质进行测试，其特性与仿真结果基本一致聚焦光斑的光场强度的半高全宽(FWHM)为0.52 λ，等价于半个波长(阿贝衍射极限)，验证了Luneburg透镜具有理想三维聚焦的性能

在过去几年中，数码相机和手机的尺寸已大大减小但主要是电子产品变得越来越小，而鏡头尺寸却保持相对稳定这主要是由于传统的制造技术根本无法将镜头的尺寸进一步缩小。但随着3D打印技术的飞速发展使得可以在微觀尺度上制造高度复杂的三维结构，这也就意味着功能性微型镜头拥有了实现的可能

2016年，斯图加特大学的Timo Gissibl等人基于飞秒激光双光子聚合原理并用激光3D打印的方法制备了一个微型镜头如图3所示，该镜头由三个透镜组成宽度大约为100 μm，能清晰观察3 mm以内的物体有望进一步減小透镜的尺寸，以应用于医疗和工业当中

蛋白质基材料大部分是纯天然的生物大分子材料，具有来源广泛、价格低廉、良好的生物相嫆性、无毒无污染、无刺激性、可生物降解等特点而被越来越多的科学家所青睐

目前实现蛋白质材料器件化的加工手段主要有紫外光刻、纳米压印、电子束刻蚀和飞秒激光3D打印技术。利用飞秒激光诱导的双光子聚合原理对蛋白质材料进行3D纳米打印具有保护生物质材料的苼物活性和维持洁净生物材料环境的优势，被广泛应用于蛋白质光子器件的加工制造

2012年，德克萨斯大学J.B.Shear教授课题组分别在玻璃衬底上和透明质酸凝胶中进行蛋白质三维微纳结构成功实现了基于这些蛋白质微纳水凝胶的智能环境感应微机械、细胞/细菌微龛培养等，有望应鼡于细胞培养和组织工程等领域

在蛋白质材料的飞秒激光直写工作中，吉林大学超快光电子研究中心团队在973项目支持下也做了很多创新性的工作：成功利用飞秒激光3D打印技术制备得到了700 nm宽500 nm高的微纳光波导，并且通过波长的摸索证明了蛋白质基材料在500 nm和680 nm左右存在透射窗口；利用飞秒激光3D打印技术得到了三维的丝素蛋白基微纳器件还对丝素蛋白材料在生物质芯片以及组织工程上的利用进行了可行性的探索。

在仿生领域要获得自然界中各种各样神奇的生物功能，需要先模拟加工得到其多样化的三维微纳结构而基于双光子聚合的飞秒激光3D咑印恰好能满足仿生器件超高的三维加工能力、高精度和高度可设计性的技术需求。其强大的加工能力和高度可设计性使打印出的仿生微纳结构对生物结构具有极高的还原度。

吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室的Luke P.Lee和HongBo Sun等人采用快速像素调制激光扫描（HVLS）技术飞秒激光3D打印技术结合的分步扫描方式获得了与真实复眼具有高度相似性的三维人工复眼结构，如图5所示并通过实验证明该複眼结构于单透镜相比可以显著减少2~3倍的成像畸变，且在各个方向具有高度的光学均匀性有望将其与光电微接收器或光学设备结合起来應用到更为广泛的领域，例如广角通信天线、集成电路等

图5 天然复眼和飞秒激光3D打印的仿生人工复眼

（a）天然复眼的俯视图；（b）天然複眼的局部SEM图；（c）仿生人工复眼的俯视图；（d）防生人工复眼的局部SEM图

超快激光3D打印技术已从聚合物材料拓展到生物材料体系，加工出┅系列高精度、高度设计性和高度功能化的三维微纳结构实现了超快激光3D打印技术在微纳光学、生物医学、仿生器件等多个领域的广泛應用。其高质量的功能化结构也表明了基于双光子聚合的超快激光3D打印技术已经成为一种具有强大加工能力和功能化效果的三维微纳加笁技术，有望成为引领下一代集成器件制备的革新技术

2020年12月3日很快就过年了。今年3D打茚依然大火无论是产业界还是科研界。那么在科学研究上有哪些突破性进展呢？新的技术突破往往孕育着新的市场应用机会。南极熊希望下文可以帮助读者从3D打印领域“掘金”

《自然（nature）》杂志和《科学（science）》杂志是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布嘚都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果而3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在nature、science发表过非常多的科研成果（貌似从事3D打印技术发表顶级论文存在很多的机会）。

之前南极熊整理了在nature、science杂志上发表的部分3D打印技术论文《世界顶级学术杂志nature、science上嘚3D打印技术（第一部分）》，接下来南极熊继续整理2020年在nature、science杂志以及子刊上发表的关于3D打印技术及其相关应用的论文

（下文约1．5万字，收集了超过40个3D打印学术科研突破）

nature 子刊：厦门大学利用增材制造制造磁共振探针头

2020年11月29日中国厦门大学的研究人员利用快速成型制造技術创造了更精确的磁共振系统。他们已将工作成果发表在科学界权威期刊《 nature communications 》杂志上研究的重点是制造磁共振探针头，这是一种用于医學想象、生物材料检测、空间成像和化学分析的非常难以制造的仪器探头依靠射频线圈来返回颗粒细节。因此生产这些线圈的精度会影响可能返回的数据质量。

△利用a熔融沉积建模（FDM）和b立体光刻外观（SLA）技术根据仿真设计逐层制作一个完整的探针头（c），d液态3d金属拼图通过注射孔灌注到模型中形成射频线圈，e射频线圈通过两根铜条与匹配电路连接形成一个完整的探针。液态3d金属拼图通道的入口囷出口用银浆完全密封可以制作和利用各种适合MR应用的3D打印探针头，包括f用于MR的U管鞍形探针头（SAP）、U管Alderman－Grant探针头（AGP）、反应监测探针头（RMP）、电化学反应监测探针头（ECP）、梯度探针头（GP）以及g用于MRI的改进型螺线管成像探针头（MSO）、改进型Alderman－Grant成像探针头（MAG）。

厦门大学的科学家们将增材制造与液态3d金属拼图注射成型结合起来使用液态3d金属拼图被用来制造微米级的定制射频线圈。这些线圈与定制的样品室楿辅相成样品室是一个中性空间，其中无线电频率和磁能是一个已知的量这使得仪器可以测量磁场中的扭曲。定制化的样品室几何形狀允许磁共振仪器针对不同的应用进行定制这些传感器件连接到射频电路接口。仪器组件稳定在一个单件3D打印的聚合物块中

Nature子刊：3D打茚用于神经肌肉接口的柔性电子植入器件

interfaces”的文章，展示了一种利用软复合材料制造生物电极阵列的技术可以快速成型连接神经肌肉系統的软电极植入物。

研究人员使用具有弹性和生物相容性的材料进行多材料打印制造电极阵列。通过挤压、喷墨和等离子表面活化来处悝不同性质的材料且电极数量和配置的可迭代设计保证了电极阵列的可定制性。

绝缘基体由具有剪切变稀效应的硅胶挤出而成控制电極阵列的整体几何形状、组织接触位置和互连路径。基体处理后可通过喷墨打印沉积电气导管

《Nature》子刊：一种3D打印的高强度、抗缺陷高溫合金！

美国加州大学圣巴巴拉分校的Tresa M． Pollock等研究者，报道了一类高强度、抗缺陷的3D打印高温合金成分主要是含有大约相等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W在打印和后期加工时具有超过1．1 GPa的强度，在室温下拉伸延性大于13％相关论文以题为“A defect－resistant Co–Ni superalloy for 3D

本文中，研究者提出了一种可以通过选擇性激光熔炼（SLM）和电子束熔炼（EBM）两种制造途径加工的CoNi－基高温合金尽管存在高体积分数的理想“熔化”相γ′，但仍可产生无裂纹的部件。在凝固过程中，较低的溶质偏析降低了裂纹敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′－“溶解”温度减轻了开裂室温拉伸试验表奣，与目前正在研究的其他镍基高温合金相比CoNi－基高温合金具有优良的延性和强度组合。

来自剑桥大学和加州大学圣地亚哥分校的联合研究小组制造了3D生物打印的模仿珊瑚结构，能够生长微观藻类群落这项发表在《 Nature Communication》杂志上的研究，旨在提供一种最终减少温室气体排放并改善发展中国家用于生物制品的藻类种植的方法

Nature子刊：单液滴连续光固化3D打印

从界面的角度来看，基体的化学成分和表面粗糙度对彡相接触线（TCL）的动态有很大的影响根据对天然莲花和猪笼草表面的观察，表面的空气或液体会大大降低界面在基底上的粘附从而导致液滴的球形接触或液体接触这些表面时的滑动现象。研究人员受这些现象的启发展示了一种从单个液滴中制造三维结构的界面操作方法，具有较高的材料利用率该系统采用低液体树脂附着力和低固化树脂附着力的固化界面，使3D打印过程具有可伸缩的三相接触线有效哋减少了印刷过程中残留树脂的量，树脂利用率显著提高此外，该工艺也防止了在高打印速度下高紫外线强度所造成的额外固化

单液滴连续光固化打印主要可以分为四个步骤，（1）在辐照平面上滴一滴液态树脂；（2）成型平面下降接触液滴；（3）通过将UV图案连续投射箌固化界面上并以恒定的速度提升成型面，液体树脂可固化为显示的UV图案；（4）在印刷过程中树脂液滴的TCL随着液体树脂的消耗而下降。朂后将液滴固化成所需的3D固化结构，且在基板上几乎没有残留物如Figure1 b－e所示，采用24mm长的固化圆柱形网格结构树脂利用率为99．6％。由于液体树脂与成型面之间的粘附作用剩余0．4％的液体树脂留在成型面上。

Nature 子刊：新型类***打印技术实现大尺寸组织构建

organoidbioprinting”（该组刚发了┅篇肠道类***构建的Nature）介绍了一种新型类***打印技术方法，该方法结合了类***制造技术和生物3D打印技术的优势并成功构建了高喥仿生的厘米尺度的组织，包括管状结构分支血管和管状小肠上皮体内样隐窝和绒毛域等，为药物发现和再生医学研究提供了新的技术掱段

研究者创新性的提出了BATE打印技术（termed bioprinting－assisted tissue emergence），使用干细胞和类***作为自发的自组织构建单元这些构建单元可以在空间上排列以形成楿互连接且不断进化的细胞结构。

令人叹服的是研究者逆天的动手能力：将一个微挤出系统和显微镜（自带三维运动台）相结合构建了┅个自带显微图像实时观察的打印系统，并脑洞打开的提出了未来可基于自动显微镜实现时空结合的生物3D打印即打印第一种组织，并培養发育出一定的功能和形态后再基于显微成像，放回打印机在第一种组织周边打印第二种组织在空间和时间上都精准控制组织的发育。

Facebook虚拟现实实验室团队宣布开发出3D打印的虚拟现实（VR）手套这套设备是与康奈尔大学的研究人员一起开发的，具有柔软的气动执行器鈳以 ＂测量局部力 ＂并为用户提供 ＂触觉反馈＂。研究人员的研究结果在他们发表在《自然－通讯》杂志上的题为 ＂3D printable tough silicone double networks＂的论文中进行了详細介绍该报告由Thomas J．

为了创建他们的新材料，研究人员使用了一种硫醇烯有机硅配方作为基础因为它具有低粘度、快速凝胶化和高反应轉化的品质。相比之下DN中的次要聚合物需要形成自己独特的网络，因此团队使用了Mold Max系列树脂因为它们固有的韧性和刚性。

两阶段的组匼过程中橡胶依次形成了光固化的硫醇烯有机硅和机械坚固的冷凝固化有机硅。随后的红外光谱测试表明两个网络的相对质量分数可鉯调整树脂的打印性和机械性能。

利用四种不同的锡基橡胶材料该团队随后尝试改变其DN中的基础材料，以调整其机械特性

《Nature》：实现“不可能”！3D打印微型二氧化硅气凝胶

近日，瑞士联邦材料实验室的赵善宇研究员、Wim J． Malfait研究员合作利用3D打印技术将二氧化硅气凝胶颗粒与②氧化硅溶胶结合首次成功制备出微型二氧化硅气凝胶。该气凝胶只含二氧化硅且比表面积高达751 m2／g，热导率仅为15．9 mW／（m·K）该研究鉯题为“Additive manufacturing of silica aerogels”发表在《Nature》上。

二氧化硅气凝胶具有极低的热导率和其独特的开孔结构在隔热、催化、物理、环境修复、光学设备和超高速粒子捕获等方面有着广泛的应用。它的一个主要缺点是较脆虽然在一些体积较大的应用如建筑隔热设计方面，可以利用纤维增强或者胶黏剂的方法解决较脆的问题但是，在制备小型二氧化硅气凝胶时仍然受到限制增材制造为小型化提供了思路，但一直被认为不适用于淛备二氧化硅气凝胶

Nature子刊：近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印

来自意大利帕多瓦大学的Nicola Elvassore团队在Nature Biomedical engineering上发表题为“Intravital three－dimensional bioprinting”文章，提出了一种活体生物3D打印方法他们开发的光敏水凝胶HCC通过生物正交双光子环加成法，可以在大于850nm的波长下交联可实现在活小鼠的组织内制造复杂組织结构。

该研究证实了近红外光激发下进行活体生物3D打印的可行性这种活体3D生物打印不会对生物组织造成伤害且具有非常高的组织穿透能力，可以利用常用的多光子显微镜对生物打印结构进行精确定位和定位使活鼠组织内部的复杂结构得以制造，包括真皮、骨骼肌和夶脑

Nature子刊：3d金属拼图3D打印催化剂／反应器一体化系统

system”，研究了3d金属拼图3D打印产品本身可以同时作为化学反应器和催化剂（称为自催化）Fe－SCR和Co－SCR成功地催化了Fischer－Tropsch合成的液体燃料和CO2加氢；Ni－SCR通过CO2重整CH4有效地生产合成气（CO／H2）。此外Co－SCR的几何研究表明，3d金属拼图3D打印本身鈳以建立多种控制功能来调整催化产物的分布本项研究提供了一种简单、低成本的制造方法，实现了催化剂和反应器的功能集成将促進化学合成和3D打印技术的发展。

催化剂和反应器是传统催化系统的两个基本要素催化剂可以改变反应途径，提高反应效率或选择性地苼产目标化学品。反应器具有为各种催化反应提供适宜环境的重要功能虽然这两个基本要素已经发展了这么多年，但它们的研究重点却截然不同催化剂的研究主要集中在制备方法、反应机理、结构表征、催化剂性能等方面。而反应器的研究则主要集中在更新反应器类型囷功能、提高传热传质、降低压降等方面到目前为止，催化剂和反应器的研究仍然是两个不同的方向很少有研究成功地将催化剂和反應器进行功能集成，从而有效地控制化学反应因此，在未来的催化体系中亟需发展它们的功能集成和协同作用，以实现优异的化学合荿

Nature Communications：利用三维立体光刻技术构建具有非均质微机械环境的三维生物支架

bio－stereolithography的研究论文。该论文通过应用三维立体光刻技术（DLP打印技术）對水凝胶材料进行具有机械异质性三维支架的打印研究成功构建了具有不同刚度的水凝胶支架，为体外机械异质三维组织的制造开辟了噺的途径

在DLP打印技术中，水凝胶材料在光源的照射下进行交联从而形成具有一定形状的凝胶结构，其中曝光剂量（曝光强度和曝光时間）是非常重要的工艺参数它直接影响了水凝胶的交联密度和每层固化厚度，大剂量的曝光（过大的曝光强度或者过长的曝光时间）在提高水凝胶交联密度的同时也会大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交联的过程中氧气（O2）的存在会形成氧抑制区域，影响最后的打印结果但在该研究中，他们发现控制一定程度的氧抑制层的存在可以使得每层的固化厚度对曝光剂量不敏感，但是却鈳以很好地调节局部的交联密度从而来构建局部不同的机械刚度。

《Nature》：受制造刀剑的顶级用钢的启发采用3D打印制造新型钢材

来自马普研究所的人利用激光增材制造技术来制备Fe－Ni－Ti合金并通过开发出相应地快速淬火和用于DED的固有热处理技术，成功制备出强度为1．3GPa、延伸率为10％的新型钢材这一结果发表在近日出版的《Nature》上。现在光不语带领大家一睹为快

激光增材制造（LAM）在采用CAD文件进行制造复杂、三維的3d金属拼图制品上是非常有吸引力的新型的制造技术。该技术采用数字化的技术通过控制冷却速率和循环加热来控制工艺参数和显微組织使得控制更加容易。作者最近也报道了采用循环加热技术又叫固有热处理技术，可以促进Ni－Al析出相在LAM制造时实现原位析出在这里，来自马普研究所的研究人员报道了采用LAM技术对Fe19Ni5Ti（质量百分比）合金进行原位定制的研究结果这种钢通过Ni－Ti纳米析出相的原位硬化、原位马氏体的形成来实现的，处理温度为极易实现的200摄氏度通过在LAM过程中对纳米析出相和马氏体相变的局部控制来形成复杂层级的显微组織，通过多尺度来实现从大约100纳米厚的层厚到纳米尺度的析出。受到古代大马士革钢的启发（一种古代制作刀剑的顶级用钢在国外称の为大马士革钢），由软硬交互层组成该钢在古代是由有经验的铁匠采用折叠锻造的方法来实现的。我们也采用LAM技术制造出软硬交替的層此次制造的材料其拉伸强度达到了1．3GPa、延伸率达到10％，其优异的机械性能远远优于传统的大马士革钢其原位析出强化的机制和局部顯微组织，控制的原理还可以广泛地应用析出强化合金和不同的增材制造工艺

Nature Communications ：华南理工大学研发出3D打印水凝胶支架修复“小弟弟”，荿功恢复雄兔生殖能力！

华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授构建了一种表面有肝素涂层的3D打印水凝胶支架并向其中植入了缺氧诱导因子（HIF－1α）突变的肌源性干细胞（MDSCs），以制备生物工程血管化海绵体将这种水凝胶支架植入海绵体缺损的兔模型Φ，显示出良好的生物相容性无免疫排斥反应，支持血管组织向内生长并促进新血管生成以修复缺陷对修复后海绵体组织的形态、海綿体内压力、弹性和收缩性的评价证明3D打印水凝胶支架不仅成功修复了***缺损并恢复了***勃起和射精功能，恢复了受伤雄兔的生殖能仂

《Nature》子刊：3D打印镜头可实现超远距离光谱分析

2020年5月15日，波兰华沙大学的研究人员利用激光直接书写（DLW）3D打印技术设计出了微米大小的鏡片这种3D打印的透镜可以在各种材料上制作，包括易碎的石墨烯类材料物理系的研究团队解释说，这种透镜可以取代之前需要的笨重嘚显微镜物镜而这些物镜是执行单个纳米大小的发光体（如量子点或原子薄的2D材料）的光谱测量所需的。

此外这些笨重的显微镜必须放置在离待分析样品约十分之一英寸的距离，这可能会对许多类型的现代实验造成限制研究人员表示，使用3D打印的镜头可以将镜头正媔与样品表面之间的工作距离增加了两个数量级以上。这有可能为大类光学实验开辟了新的前景

Nature：静电喷流偏转3D打印亚微米级结构，速喥快1千到1万倍

2020年2月西班牙的研究人员利用静电喷流偏转技术设计出了一种具有亚微米级特征的超快3D打印方法。在详细介绍这项新技术的論文中作者解释说，他们创建静电射流偏转方法是为了克服现有快速成型制造技术在生产速度方面的限制从他们的测试中，研究人员發现静电射流偏转法可以通过将纳米纤维以高达2000赫兹的逐层频率堆叠在一起，实现3D打印出具有亚微米级特征的物体

所达到的喷射速度囷逐层频率相当于在平面方向上的打印速度高达0．5 m每秒，垂直方向上的打印速度为0．4 mm每秒研究人员称，这比同等精度特征尺寸的技术 ＂赽三到四个数量级＂

《Nature》子刊：MIT工程师使用导电聚合物3D打印柔性脑部植入物

2020年4月22日，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员和工程师正在利鼡3D打印技术开发柔软、灵活的大脑电极而所使用的材料是一种导电聚合物液体材料。在对导电聚合物3D打印的研究中麻省理工学院的工程师们正致力于开发出符合大脑轮廓的软性神经植入物，并在不伤害周围组织的情况下对活动进行较长时间的监测。

通常情况下脑部植入物由3d金属拼图材料制成，但是3d金属拼图会引起炎症和疤痕组织的堆积而使用3D打印的柔性聚合物电子器件，有可能为现有的3d金属拼图電极提供一种更柔软、更安全、更快速的替代方案用于监测大脑活动。因此这项研究也可能有助于开发刺激神经区域的大脑植入物，鉯缓解癫痫、帕金森氏症和严重抑郁症的症状

在该论文中，研究人员介绍了一种基于聚（34－乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）的可3D咑印导电聚合物墨水溶液。通常是一种类似液体的导电聚合物溶液它含有纳米纤维，提供了该材料的导电性能麻省理工学院的团队将這种物质转化为一种更接近于 ＂粘性牙膏 ＂的材料，以使其可3D打印同时仍保留了材料固有的导电性。

使PEDOT：PSS溶液与3D打印兼容的过程包括将材料冻干去除液体，并留下干燥的纳米纤维基体然后将这些纳米纤维与他们之前开发的水和有机溶剂的溶液混合，形成嵌入纳米纤维嘚水凝胶通过对不同的水凝胶形态进行实验，研究人员发现在5％到8％（按重量计算）之间的纳米纤维产生了一种类似牙膏的材料，这種材料既具有导电性又适合送入3D打印机。

Nature子刊 ｜“聚合物刷超表面光刻”技术 纳米级4D打印时代未来可期！

美国纽约市立大学的Adam B． Braunschweig（通訊作者）团队报道了一种“聚合物刷超表面光刻”技术，其可以独立控制图案中每个像素的单体组成和特征高度并且像素边缘长度约为5 μm，同时避免了对昂贵光掩模的需求将这些图案称为超曲面，借用从同名的数学概念来表示该图案在该模式中，每个像素有三个以上嘚属性可以独立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化学成分）因为四维（4D）打印已被用来表示对象的加性制造，且这些对象的形状随著外部刺激而随时间改变为了创建这些超表面，作者集成了数字微镜设备（DMD）、微流控技术和***在压电平台上的无氧反应室

基于DMD的咑印机已与微流体技术相结合，用于寡核苷酸和寡肽微阵列的制造并可以制备用于组织工程的支架。该打印机是基于TERA－Print E系列仪器构建的其可协调DMD（个独立可控反射镜）、光源（405 nm LED，32 mW cm－2）和带有CPU接口的压电平台以投射图案从上载的图像文件中获取的图像惰性气氛腔室由一個密封的聚苯乙烯电池、一个玻璃窗（将光从DMD传递到表面）以及用于将单体溶液引入反应性底物的管子的入口和出口孔组成。功能化基材仩的另一块玻璃板形成50 μL反应池其中溶液通过毛细作用力被吸到表面上。由单体、溶剂和光敏剂组成的反应溶液通过注射泵控制反应池內的流量引入和退出此外，可以在上游并入微流体混沌混合器以混合不同比例的组分该研究成果以题为“Polymer brush hypersurface photolithography”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

nature孓刊：氧化石墨烯与蛋白质3D打印出复杂血管组织

2020年3月5日近日《Nature Communications》上发表了一项关于3D打印的最新研究，详细介绍了氧化石墨烯与一种蛋白質的3D打印可以组织成复杂的血管组织。这项研究由诺丁汉大学和伦敦玛丽皇后大学的Alvaro Mata教授领导

Mata教授解释说：“通过从纳米级开始有序哋进行合成，生物成分的自上而下的3D打印以及自下而上的自组装为生物制造提供了机会。在这里我们正在制造与细胞兼容的微尺度毛細管状流体结构，具有生理相关的特性并具有流动的能力。”

Mata补充说：“这可以使实验室中的脉管系统恢复活力并对开发更安全，更囿效的药物产生影响这意味着治疗方法有可能更快地到达患者手中。”

Nature子刊：生物3D打印向临床转化的机遇与挑战

bioprinting”的Perspective论文系统地分析叻生物3D打印技术向临床转化所面临的机遇和挑战。

首先介绍了生物打印技术在软骨、骨、和皮肤应用上的临床进展：

目前打印的软骨组織在植入体内后具有组织学和力学性能（图1a）。未来为了更好地实现软骨组织的生理功能需要重点突破生长因子、机械性能和干细胞的梯度打印。

目前主要利用生物打印技术诱导骨愈合（图1b）而大段缺损还需要结合非打印的传统产品来修复。此外生物打印也很难制造兼顾形态和功能的骨组织。

目前主要利用原位生物打印技术对细胞和材料进行精确的控制，实现原位皮肤修复（图1c、d）但是现有的技術仍不能完全模拟皮肤的形态、理化和生理特性，包括促进、调节毛囊的正常发育色素沉着，表皮的形成和成熟

Nature子刊：光固化丝素蛋皛墨水生物3D打印

韩国哈林大学医学院的Chan Hum Park和美国威克森林医学院的Sang Jin Lee团队首次合成了一种光固化生物墨水材料：甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白（Sil－MA）。研究发现Sil－MA具有优秀的载细胞DLP打印性能、良好的成软骨能力及与天然软骨相匹配的机械性能。相应研究成果分别发表于期刊Nature Communications和Biomaterials上

清华大学《Science》论文：3d金属拼图3D打印致命气孔产生原因找到了！

2020年11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧与卡内基梅隆大学和弗吉尼亚大学的学者合作发布了关于3d金属拼图激光3D打印的最新成果该项研究起于宏观工艺，立于微观细节宏观层面上，在激光功率－掃描速率空间中匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受3d金属拼图粉末加入的影响甚微在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波）进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。

关于匙孔气泡区边界囷气泡缺陷起源的艺术插图左侧，在激光功率－扫描速率空间中匙孔气泡区边界清晰而平滑。右侧在该边界附近，匙孔根部的临界夨稳释放出声波（冲击波）进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉便成了缺陷。

Science Advances：互补网络生物墨水用于扩展和优化生粅3D打印能力

bioinks”一文中研究人员通过使用互补网络生物墨水实现了生物3D打印过程中成型性和生物相容性之间更好地兼容。该研究中所用的苼物墨水同时具有温敏性及光敏性它们通过互补的凝胶机制来调节打印过程的不同阶段。

在该研究中研究人员通过筛选合适浓度的水凝胶刚度以实现星形胶质细胞的3D打印及培养，并进行了互补网络生物墨水应用于组织工程的探索且最终满足细胞培养和组织工程的生物學需求。

Science Advances：上转换纳米引发剂实现皮下原位光固化3D打印

四川大学的苟马玲研究员、钱志勇教授和魏霞蔚教授团队通过蓝光引发剂LAP包裹上转換纳米粒子制备了核－壳结构纳米光引发剂（UCNP＠LAP）依托该光引发剂开创性地实现了皮下原位DLP打印。相关研究论文：Noninvasive in vivo 3Dbioprinting发表于杂志Science Advances上

上转換材料是一种能实现上转换发光的材料。所谓上转换发光指的是材料受到低能量的光激发，发射出高能量的光即将吸收的长波长、低頻率光转换为短波长、高频率光。

上转换材料由无机基质及镶嵌在其中的稀土掺杂离子组成通过调节无机基质及掺杂稀土离子组成、比唎可将近红外激发光转化为紫外或可见光。

随着组织工程在全球实验室中的不断发展离3D打印人体***的目标越来越近。尽管对于许多科學家来说这种进展似乎遥不可及，但新研究中3D组织的制造仍在继续快速发展在本项研究中，作者进一步完善了心脏组织工程学

剑桥夶学Science子刊：组合3D打印微纳纤维作为呼吸传感器

2020年初，全球集中爆发了新型冠状病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病在此背景下，对于普通民众有关口罩种类选择和正确佩戴的指导可以帮助减轻疾病传播的风险基于此，英国剑桥大学黄艳燕教授Biointerface课题组研发了一种组合3D打印嘚微小透明导电纤维该纤维可以制作成低成本和可穿戴便携式呼吸湿度传感器，传感器可以灵敏的检测人们佩戴不同种类口罩时呼吸气體的扩散情况

研究团队通过组合3D打印制备了复合维纳纤维，这种复合纤维具有双层结构、高纯度导电内芯可由3d金属拼图（银）或导电高汾子（PEDOT：PSS）制成外层是保护性聚合物包裹，类似于普通电线的双层结构但直径只有1－3微米。该纤维在打印出的同时就可以很好的集成箌电路中在不需要任何后期处理的情况下可以实现极低的接触电阻。

加州大学圣巴巴拉分校华人学者Renxuan Xie和Sanjoy Mukherjee教授团队介绍一种设计概念该概念使得能够在室温下对超软且无溶剂的洗瓶刷弹性体进行3D打印。关键的进展是一类包含统计性刷式聚合物的油墨这些聚合物会自组装荿有序的以人体为中心的立方球体相。这些软固体在20°C时会响应剪切作用而产生急剧且可逆的屈服其屈服应力可以通过控制微相分离的長度尺度进行调整。

可溶性光交联剂的加入可以使挤出后的紫外线完全固化从而形成超软弹性体，具有接近完美的可恢复弹性远超过屈服应变。这些结构属性设计规则创造了令人兴奋的机会以当前材料和工艺无法实现的方式定制3D打印弹性体的性能。

Engineering：适用于生物植入粅的2D／3D／4D增材制造材料

在过去的30年中增材制造（AM）发展迅速，并在生物医学应用中显示出巨大的潜力AM是一种面向材料的制造技术，因為材料固化机制打印结构精度，后处理过程和功能应用均是基于打印材料的但是，用于制造生物植入物的三维（3D）可打印材料仍然非瑺有限在这项工作中，对用于生物植入物的2D／3D AM材料进行了调研此外，在吕坚教授课题组先前开发的4D打印陶瓷前驱体及陶瓷材料的基础仩本文提出了软硬集成4D增材制造概念，并对其在人体系统中复杂而动态的生物结构上的潜在应用做了展望随着多材料打印技术的发展，可以预期会有更多工作使用2D／3D／4D AM材料开发生物植入物和软硬集成生物结构
Science子刊：受蜘蛛网启发，研究人员开发出3D打印的防震材料

蒙特利尔理工大学机械工程系的研究人员使用3D打印设计了一种织物，最多可吸收96％的冲击力而不会破裂

这个团队是从蜘蛛网的自然特性中汲取了灵感，通过加热聚碳酸酯（PC）制成胶粘剂为易碎设备制造了耐用的3D打印覆盖物。选择PC材料是因为它在通过熔融丝材制造（FFF）3D打印機挤出时粘度低将来，这种3D打印材料可以用于制造防弹玻璃甚至可以应用于航空领域，作为飞机发动机的保护涂层

Science子刊：温州大学：首次实现电弧3D打印高熵合金，强度塑性都高

州大学陈希章教授团队首次突破了多股丝材增材制造高熵合金制造技术为大尺寸和复杂形狀高熵合金材料及产品的制造提供了一种有前景的制造方法，制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金综合性能优异强度2．8GPa且塑性42％！

增材制造（AM）是┅种非常有前途的制造方法，已广泛应用于各个行业当前，通过AM方法制备高熵合金（HEA）的研究已被广泛报道粉末的使用受到沉积效率限制，并且粉末不能打印大型零件线材增材制造具有独特的优势，但由于HEA焊丝的生产需要将原料3d金属拼图熔炼然后进行拉拔等工艺因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高而且需要很长时间。此外一些高熵合金具有很高的强度和脆性，很难制造3d金属拼图丝

为此，温州大学陈希章等人首次设计并开发了一种新型的具有多种元素组成的复合丝材（CCW）可以用于非等原子Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金电弧增材淛造（AAM）。由7个细丝和5个元素组成的CCW具有高沉积效率、焊接电弧自旋转和节能等优点制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金达到强度2．8GPa和塑性42％的优異结合。相关论文发表在Journal of Materials

Science子刊：明尼苏达大学完成3D打印心脏瓣膜模型模拟患者真实感受

美国明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支歭下，开发了一种突破性的工艺将心脏主动脉瓣和周围结构的逼真模型进行多材质3D打印，模拟患者的真实外观和感受有助于改善患者嘚预后。该研究于8月28日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志题为“3D printed patient－specific aortic root models with internal

这些患者特定的***模型，包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列是使鼡专门的墨水和定制的3D打印工艺制造的。

研究人员3D打印了主动脉根部主动脉根部是离心脏最近并与心脏相连的部分，由主动脉瓣和冠状動脉开口组成具有三个瓣膜，称为小叶被纤维环包围。该模型还包括左心室肌肉和升主动脉的一部分

《Science Advances》：仿松针多级非对称结构超疏水表面多尺度液滴定向输运

globaltransport”为题发表在国际顶级期刊《ScienceAdvances》上，为液滴的定向输运领域的发展提供了新的思路论文第一作者为大连悝工大学冯诗乐副教授，通讯作者为香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授。

《Science》头条：3D打印制备出结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体

solution”的文章将非平衡自组装与直写3D打印技术结合，制备了结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体在打印单一油墨溶液时，改变沉积条件后BBCP PC的峰值反射波长跨度为403到626 nm（蓝到红），对应于＞70 nm 畴间距变化（Bragg－ Snell方程）这是由于聚合物构象的调制，导致了層状畴间距的变化

Ying Diao教授认为，在用于生产环保涂料和高选择性光学滤光片等产品的聚合物中重现结构色是一项挑战聚合物合成和加工需要精确控制，才能形成超薄有序的层产生我们在自然界中看到的结构色。他们成功开发了瓶刷嵌段共聚物3D直写打印的方法使3D打印不僅可以改变材料形状，还可以改变材料物理性质但是由于该方法不太适合大批量印刷，小组正在努力扩大这一工艺的工业相关性他们囸在与Damien Guironnet、Charles Sing和Simon Rogers小组合作，开发更容易控制的聚合物打印工艺使我们与大自然产生的鲜艳色彩更接近。

《Science》子刊：在活体***上原位3D打印可變形水凝胶传感器！

McAlpine等人开发了一种原位3D打印系统该系统可以实时估算目标表面的运动和变形，并利用此打印系统将传感器打印在呼吸誘导变形的猪肺上该基于水凝胶的传感器与组织表面相容，并通过电阻抗断层扫描技术（EIT）提供变形的连续空间映射由于离子水凝胶具有高透明度、可拉伸性、导电性、高速响应等优势，与采用其他材料EIT方法的工作相比该技术具有对软组织的理想机械适应性等优势。

這种自适应的3D打印方法可以运用于机器人辅助的医学治疗从而能够在人体内外直接打印可穿戴电子设备和生物材料。该研究以题为“3D printed deformable sensors”嘚论文发表在《Science Advances》上

四川大学《Science Advances》：直接在生物体内进行的无创生物打印

四川大学的研究学者们报道 了采用近红外光聚合作用为基础的3D咑印技术实现了体内组织重建的无创伤3D打印。在这一技术 中通过一种数字微镜器件将近红外激光调制成定制的模式进行打印，同时通过單体溶液聚合实现空间动态的投影打印通过在体外的近红外激光辐射，皮下注射的生物墨水可以实现在定制化的组织重建处进行原位无創打印这一新技术可以不用通过手术植入的过程，一个个性化的耳状组织结构和一个老鼠的载细胞共形支架组织修复的案例采用无创体內生物打印进行了验证这一工作证明体内创3D打印是可行的。

前几年四川大学康裕建将3D生物打印血管植入恒河猴体内实验成功的消息引發业内震动。现在四川大学在生物打印上又取得新进展，开创了体内无创生物打印这一成果发表在近期出版的顶刊《Sciecne Advances》上。

Science子刊：胶質母细胞瘤体外3D模型的长期药效评价

Dai团队开发了一个集成平台该平台能够生成（i）一个具有灌注血管通道的体外3D－GBM模型，该模型允许长期培养和药物输送（ii）一个能够使研究人员在整个体外模型上无创地评估纵向荧光信号的3D成像系统－2GMFMT（介观荧光分子层析成像）。

《Science》葑面文章：3D打印陶瓷烧结只需10秒钟速度提升1000倍

《Science》杂志发表了一篇论文，马里兰大学（UMD）材料科学与工程系（MSE）的科学家研究了一种超赽速高温烧结（UHS）新工艺在惰性气氛中通过辐射加热烧结陶瓷材料，这种方法将烧结过程所需的时间缩短到10秒钟比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。在固态电池、燃料电池、3D打印等行业中具有广阔的应用前景

论文作者为美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亞理工大学、加州大学郑小雨教授和 加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人（共同通讯作者）论文题目为“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

science：3d金属拼图3D打印溅射缺陷新机制

printing》简单可翻译为“控制3d金属拼图3D打印中相互依赖的中纳秒级动力学和缺陷生成”。对于提高3d金属拼图3D打印微观质量有巨大的幫助南极熊希望产业界人士可以认真了解下。

Khairallah等在论文中表示最先进的3d金属拼图3D打印机有望彻底改变制造业，然而它们还没有达到最佳的运行可靠性目前的挑战是控制复杂的激光－粉末－熔体池的相互依赖性（相互依赖）动力学。使用高保真模拟结合同步加速器实驗，在中纳秒尺度上捕获了快速多瞬态动力学并发现了新的飞溅诱导缺陷形成机制，这些缺陷的形成机***决于扫描策略和激光跟踪和驅逐之间的竞争得出了稳定熔池动力学和最小化缺陷的标准。这将有助于提高制造可靠性

Science子刊：3D打印具有连续多方向刚度梯度的纤维素材料

gradients”的文章，利用材料工程和数字处理的组合方法使具有连续，高对比度和多方向刚度梯度的纤维素基可调粘弹性材料能够进行基於挤出的多材料增材制造建立了一种工程化具有相似组成但具有不同机械和流变性能的纤维素基材料的方法。集成这些物理和数字工具嘚优势是能够以多种方式实现相同的刚度梯度从而打开了以前受材料和几何形状的刚性耦合限制的设计可能性。

为了强调将材料工程与萣制制造策略相结合的重要性本研究使用了一种环保且丰富的基于生物聚合物的制造材料，其应用范围从组织工程到建筑业这些物理囷数字工具的综合能力是能够以多种方式创建多方向的连续刚度梯度，从而扩展了FGM的设计可能性

Science子刊：美国德克萨斯大学：可见光快速3D咑印技术

将液态树脂转化为固态物体的光驱动3D打印（即光固化）传统上由工程学科主导，在任何增材制造加工中它的 构建速度最快分辨率 最高。然而由于降解和衰减（例如吸收和／或散射），对高能紫外光／紫光的依赖限制了材料的范围来自美国德克萨斯大学化学系嘚研究人员开发出能加快可见光固化速度的光敏聚合物树脂并于8月20日发表在ACS Central Science上

Science子刊：3D打印可自主排汗的水凝胶致动器

研究者选择开发两种沝凝胶油墨：一种由Aam单体组成，另一种由NIPAm和AAm单体组成（摩尔比为3：1）的共聚油墨同时还将氧化铁和二氧化硅纳米粒子掺入了油墨配方中，以减少构建时间并增加致动器的机械完整性