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3D打印7次登上《Science》,2025上半年

3D打印動態(tài)
2025
07/08
17:39
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南極熊導讀:3D打印技術(shù)作為先進制造領域的重要創(chuàng)新手段,持續(xù)引領著材料科學、醫(yī)學、能源等多個領域的變革。南極熊梳理了2025年上半年在頂級學術(shù)期刊《Science》上發(fā)表的與3D打印相關(guān)的重要研究成果,展示了這一技術(shù)在多個前沿領域的突破性應用。

1. 多連環(huán)構(gòu)架材料:開創(chuàng)新型互鎖結(jié)構(gòu)材料



2025年1月,加州理工學院研究團隊在《Science》上發(fā)表了關(guān)于"多連環(huán)構(gòu)架材料"(PAMs)的研究,并登上了《Science》封面,研究題目為3D polycatenated architected materials(三維多鏈結(jié)構(gòu)材料)。此材料由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成,形成3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。研究者利用3D打印技術(shù)制造了不同類型的PAMs樣本,精確控制粒子的形狀、大小以及空間排列。PAMs擁有獨特的機械特性,能夠在不同的加載條件下展現(xiàn)出流體樣的和固體樣的雙重行為

研究亮點:
PAMs能夠展示非牛頓流體行為,如剪切稀化和剪切增稠反應
在大應變條件下表現(xiàn)出類似于晶格和泡沫的非線性應力-應變關(guān)系
在微尺度上能響應靜電荷改變形狀

這類新材料為開發(fā)刺激響應材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑提供了可能性,展現(xiàn)了3D打印在創(chuàng)新材料設計中的重要作用。

原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

2. 3D打印高性能熱電冷卻材料
2025年2月,奧地利科學技術(shù)研究所(ISTA)的Maria Ibáñez教授團隊通過采用基于擠出的3D打印技術(shù),解決了熱電制冷器制造的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究者開發(fā)出一種創(chuàng)新的3D打印工藝,成功制造高性能熱電材料,并用于構(gòu)建熱電冷卻器。研究題目為:Interfacial bonding enhancesthermoelectric cooling in 3D-printed materials



研究亮點:
開發(fā)的3D打印工藝大大降低生產(chǎn)成本,同時保持與傳統(tǒng)方法相當?shù)男阅?br /> 特別設計的油墨配方確保晶粒之間形成牢固的原子鍵,提高了材料的熱電性能
打印材料在空氣中表現(xiàn)出50度的凈冷卻效果,與高成本制造的材料性能相當

此項技術(shù)的應用前景廣泛,包括電子設備熱管理、可穿戴設備、醫(yī)療領域如燒傷治療和肌肉拉傷緩解,以及能量收集系統(tǒng)。

原文鏈接:Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials | Science

3. 磁場調(diào)控激光增材制造匙孔穩(wěn)定性研究
2025年2月,由倫敦大學機械工程學院材料主導的國際研究團隊發(fā)表了關(guān)于"Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing 激光焊接與增材制造過程中匙孔不穩(wěn)定性的磁調(diào)控"的研究。



研究發(fā)現(xiàn)特定磁場下匙孔穩(wěn)定性極大提高,孔洞面積減少80%。在增材制造技術(shù)研究中,匙孔效應的形成機理與演化規(guī)律一直是制約工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的關(guān)鍵科學問題。2025年2月英美加中四個國家科研單位使用高速同步輻射X射線成像技術(shù)合作完成的“激光焊接與增材制造過程中匙孔不穩(wěn)定性的磁調(diào)控”的文章發(fā)表在Science雜志上,由倫敦大學機械工程學院材料、結(jié)構(gòu)與制造研究組(MSMaH)主導。倫敦大學學院(UCL)和哈韋爾研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范賢強)博士為第一作者。

研究亮點
實驗觀察到特定磁場下匙孔穩(wěn)定性極大提高,孔洞面積減少80%
提出了新方法定量化匙孔震蕩并給出了深入的機理解釋

此項研究為解決3D打印金屬零件中的氣孔缺陷問題提供了新思路,對提高金屬3D打印件的質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554

4. 閉環(huán)可回收的光固化3D打印材料


2025年3月,浙江大學謝濤教授團隊在《Science》上發(fā)表了關(guān)于閉環(huán)可回收光敏聚合物的突破性研究,題目為Circular 3D printing of high-performance photopolymers through dissociative network design。

塑料廢棄物的閉環(huán)回收是解決全球塑料污染問題的關(guān)鍵策略之一。傳統(tǒng)方法依賴將聚合物完全解聚為單體以重新合成塑料,但這一過程限制了分子設計的靈活性,難以兼顧高機械性能與可回收性。光固化3D打印作為主流制造技術(shù),通常使用不可逆的碳-碳鍵交聯(lián)網(wǎng)絡,導致材料難以回收。近年來,動態(tài)共價鍵(如酯鍵、氨酯鍵)的引入雖能實現(xiàn)部分化學回收,但需要額外添加單體或試劑,導致回收效率低下(<100%)。此外,現(xiàn)有可回收光敏樹脂(如硫辛酸體系)的機械性能調(diào)節(jié)范圍有限,難以滿足多樣化應用需求。研究團隊開發(fā)了一種基于動態(tài)解離光化學的創(chuàng)新策略,通過設計二硫縮醛鍵的動態(tài)解離網(wǎng)絡,實現(xiàn)了光固化后聚合物的完全回收和循環(huán)利用。

研究亮點:
首次實現(xiàn)了光固化3D打印材料100%的回收效率,無需添加新單體
模塊化網(wǎng)絡設計使材料性能高度可調(diào),模量跨度達140 MPa,斷裂伸長率超1200%
循環(huán)3D打印技術(shù)顯著降低樹脂消耗與廢棄物排放,在牙科模具、金屬鑄造等領域展現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟雙重優(yōu)勢。

這一成果為解決塑料污染問題提供了新思路,打破了高性能與高回收率之間的傳統(tǒng)矛盾。
原文鏈接:https://www.science.org/toc/science/388/6743

5. 圖像引導的深部組織體內(nèi)聲音打印技術(shù)
2025年5月,來自 美國加州理工學院和加州大學洛杉磯分校一個跨學科研究團隊開發(fā)出"圖像引導的深部組織體內(nèi)聲音打印技術(shù)(DISP)",實現(xiàn)了在活體內(nèi)部深層位置精準構(gòu)建功能性生物結(jié)構(gòu)的突破。


△圖像引導的深部組織體內(nèi)聲音打印(DISP)。(A) DISP平臺示意圖。DISP系統(tǒng)使用由非交聯(lián)預聚合物、裝載交聯(lián)劑的熱敏脂質(zhì)體和氣囊組成的超聲墨水(US-ink)。該超聲墨水被注入體內(nèi),以非侵入性方式在體內(nèi)精確制造功能性生物結(jié)構(gòu);跉饽业募沙暢上裼糜诒O(jiān)測目標器官,檢測預聚合物的存在,并確保準確定位和成功形成超聲凝膠(US-gel)。(B) 用于產(chǎn)生和監(jiān)測聚焦超聲(FUS)的體內(nèi)打印設置。RF,射頻;T/R,發(fā)射器/接收器。(C) 裝載交聯(lián)劑的熱敏脂質(zhì)體的透射電子顯微鏡圖像。比例尺,100納米。(D) 冷凍干燥的3D打印藻酸鹽超聲凝膠的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺,20微米。(E) 用聲音在體內(nèi)打印的功能性水凝膠結(jié)構(gòu)。比例尺,5毫米。(F至H) 基于DISP的體內(nèi)打印應用:用于感知和記錄的生物電子設備(F),用于藥物遞送和組織再生的生物載體(G),以及用于創(chuàng)傷封閉和設備/組織界面的生物粘合劑(H)。

DISP本質(zhì)上創(chuàng)建了一個"遠程遙控"的生物工廠系統(tǒng):
首先通過微創(chuàng)注射將生物墨水導入體內(nèi),這些墨水包含特殊設計的熱敏脂質(zhì)體(一種對溫度變化敏感的微型囊泡)。脂質(zhì)體內(nèi)封裝了能夠觸發(fā)生物材料交聯(lián)固化的關(guān)鍵物質(zhì)。醫(yī)生可通過聚焦超聲波系統(tǒng),精準地將聲能集中到體內(nèi)目標位置,產(chǎn)生局部溫度升高,激活熱敏脂質(zhì)體釋放交聯(lián)劑,從而在指定位置形成固態(tài)生物結(jié)構(gòu)。

研究亮點
通過熱敏脂質(zhì)體與超聲波精準控制系統(tǒng)相結(jié)合,實現(xiàn)毫米級精度的空間控制
無需侵入性手術(shù),即可在體內(nèi)深部組織直接打印功能性生物材料
多功能生物墨水系統(tǒng)適應不同醫(yī)療需求,包括導電型、藥物載體型、細胞載體型和生物粘合型等
該技術(shù)在神經(jīng)修復、心臟病治療、癌癥靶向治療、組織再生等領域具有廣闊應用前景,開創(chuàng)了微創(chuàng)治療的新紀元。

6. 3D層流輔助鈣鈦礦晶體化技術(shù)

2025年5月,來自杭州微導納米科技有限公司、浙江科技學院土木工程與建筑學院、浙江大學光電科學與工程學院等機構(gòu)的科研人員在《Science》上發(fā)表了一項突破性研究,題目為3D laminar flow–assisted crystallization of perovskitesfor square meter–sized solar modules,展示了利用3D打印技術(shù)優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)大規(guī)模制造工藝的創(chuàng)新方法。研究人員通過設計并3D打印一種新型的層流空氣干燥器(LAD),成功解決了大面積鈣鈦礦薄膜均勻結(jié)晶的難題,推動了高效、穩(wěn)定的平方米級鈣鈦礦太陽能組件的商業(yè)化生產(chǎn)。


△三種3D打印的層流空氣干燥器(LAD)結(jié)構(gòu)設計的仿真優(yōu)化

研究亮點:
3D打印的層流空氣干燥器能產(chǎn)生高度均勻的層流,促進鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的溶劑在整個薄膜表面均一揮發(fā)。
該技術(shù)成功實現(xiàn)了平方米級鈣鈦礦太陽能組件的連續(xù)化、規(guī)模化生產(chǎn)。
最大面積的組件達到7906平方厘米,認證效率高達15.0%(功率118瓦),并通過了關(guān)鍵可靠性測試。

這一技術(shù)為鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化提供了有力支持,為推動清潔能源發(fā)展做出了重要貢獻。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001

7. 快速模型指導的器官級合成血管系統(tǒng)設計

2025年6月,斯坦福大學研究人員開發(fā)出一種更快、更精確的血管系統(tǒng)建模和打印方法,解決了利用患者自身細胞制造可移植器官的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。題目為Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing。



據(jù)斯坦福大學統(tǒng)計,美國有超過10萬人在器官移植名單上,其中一些人需要等待數(shù)年才能獲得器官,而另一些人甚至可能撐不過等待。即使器官匹配良好,人體也有可能產(chǎn)生排斥反應。為了縮短等待時間并降低排斥反應的可能性,再生醫(yī)學研究人員正在開發(fā)利用患者自身細胞按需制造個性化心臟、腎臟、肝臟和其他器官的方法。

確保氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)能夠到達新生器官的每個部分是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。斯坦福大學的研究人員開發(fā)出新的工具,用于設計和3D打印極其復雜的血管樹,這些血管樹負責將血液輸送到整個器官。研究者表示:“目前,生物打印組織的規(guī);芰κ芟抻谀芊駷槠渖裳堋绻惶峁┭汗⿷,就無法擴大這些組織的規(guī)模。我們能夠使生成血管的算法運行速度比以往方法快約 200 倍,并且可以生成器官等復雜形狀的血管!

研究亮點
新的設計平臺能以比以往更快的速度生成與人體血管系統(tǒng)相似的設計
該算法的運行速度比以往方法快約200倍,可生成器官等復雜形狀的血管
研究者已能設計并打印包含500個分支的血管模型,并測試證實能維持細胞存活

這項技術(shù)為器官生物制造領域提供了突破性解決方案,有望縮短器官移植等待時間并降低排斥反應可能性,為再生醫(yī)學開辟了新道路。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152
南極熊總結(jié)
2025年上半年《Science》頂刊上發(fā)表的3D打印相關(guān)研究成果涵蓋了材料科學、能源、醫(yī)學等多個領域,展示了3D打印技術(shù)在解決科學前沿和工程實際問題中的獨特價值。從可回收的高性能材料到體內(nèi)生物打印,從大規(guī)模能源器件制造到微觀結(jié)構(gòu)精確控制,3D打印技術(shù)正以其靈活性、精確性和可持續(xù)性,持續(xù)推動著科學技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。這些研究不僅豐富了3D打印技術(shù)的應用場景,也為材料設計、生物醫(yī)學、清潔能源等領域帶來了新的思路和可能性。





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