从最新6篇Science/Nature系列成果，看3D打印未来之路！

想念熊夫妇

2019-04-30

图丨pixabay

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

近年来，3D打印频出奇招，备受赞誉，对整个工业制造领域都产生了颠覆性的影响。LOM（Laminated Object Manufacturing）、FDM（Fused Deposition  Modeling）、SLS（Selective Laser Sintering）等3D打印技术先后涌现出来，使陶瓷3D打印、金属3D打印、彩色3D打印、混合材料3D打印等成为现实。从个性化定制的工业设计、人造器官、医疗器械、飞机零件，到衣服、鞋子，再到大型建筑、飞机、汽车的直接制造，3D打印似乎无所不在，无所不能。

今天，我们要分享的是来自多个国际顶级研究团队关于3D打印技术最新的6篇重要成果，包括2篇打印原理创新的工作，以及4篇偏重应用的研究，希望对相关研究人员有所启发。

1. 里程碑之作，3D打印开辟新篇章丨Science（点击查看详细解读）

目前常规的立体光刻3D打印机主要使用扫描点光源或投影仪来顺序地逐层构建3D对象，这往往会导致边缘的“阶梯”效应，也难以生产柔性物体，因为可弯曲的材料在打印过程中会变形，并且打印某些特定形状的物体时需要支撑物。有鉴于此，加州大学伯克利分校的Hayden K. Taylor教授课题组发展了一种新的3D打印技术，引入了旋转打印策略，无需逐层打印，直接在高粘度树脂容器内通过光聚合一次形成整个3D物体。

研究人员采用了一种计算轴向光刻技术（computedaxiallithography, CAL），在围绕垂直轴旋转时，将预先计算的光图案序列数字投影到树脂容器中，旋转时可以在树脂中照射出上千个不同的投影。随着时间的推移，累积的光暴露穿过聚合阈值的区域变为实心，而不穿过该阈值的区域保持未固化，从而一次性印刷出所设计的三维物体。

参考文献：

Brett E. Kelly, IndrasenBhattacharya, Hossein Heidari, Maxim Shusteff, Christopher M. Spadaccini,Hayden K. Taylor*. Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction. Science, 2019.

DOI: 10.1126/science.aau7114

http://science.sciencemag.org/content/363/6431/1075

2. 通过体积聚合抑制图案化实现快速、连续的3D打印丨Science Advances

目前的3D打印方法制造速度慢，并常常会获得具有脊形表面的产品。相比之下，连续立体光刻打印克服了传统设备的逐层操作，大大提高了打印速度，并能够生成表面光滑的产品。密歇根大学Martin P. de Beer教授和Harry L. van der Laan教授等人报道了一种新型的3D打印技术，通过利用含有互补光引发剂和光抑制剂的丙烯酸甲酯树脂配方的双色光照射来实现。在这种方法中，其中一种波长的光照射产生的光致图案化聚合抑制体积在空间上限制了同时由第二种波长的光照射引发聚合的区域。此外，使用这种方法产生的抑制体积可以局部控制聚合区域的厚度，从而影响单次曝光和形貌图案化。

参考文献：

Martin P. de Beer*, Harry L. vander Laan*, Megan A. Cole, Riley J. Whelan, Mark A. Burns, Timothy F. Scott.Rapid, continuous additive manufacturing by volumetric polymerizationinhibition patterning. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aau8723

http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau8723

3. 受晶体微结构启发的抗损伤结构化材料丨Nature

轻质的结构材料是由节点和支柱的周期性排列组成的，并且可以展现出传统固体材料不具备的特性。以往报道过的结构材料通常是由相同的结构单元构成的，单元的重复排列使其具有相同的方向。因此，当加载超过屈服点时，会产生局部的高应力带，进而导致材料的机械强度严重受损。有鉴于此，英国伦敦帝国理工学院的Minh-Son Pham等人利用晶体材料中发现的硬化机制，通过模仿晶体材料的微尺度结构，利用3D打印技术来开发强度大且耐损伤的结构化材料。该方法结合了冶金中的硬化机制和结构化材料，使得设计的材料具有轻量化、机械坚固等优点。

参考文献：

Minh-Son Pham*, Chen Liu, Iain Todd& Jedsada Lertthanasarn. Damage-tolerant architected materials inspired bycrystal microstructure. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-018-0850-3

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0850-3

4. 用于脊髓损伤修复的仿生3D打印支架丨Nature Medicine

3D打印技术在各个领域都取得了长足的发展，在生物领域也是如此，但是由于中枢神经系统(CNS)结构的复杂性，其3D打印工作仍需完善。有鉴于此，美国加州大学圣地亚哥分校Mark H.Tuszynski、ShaochenChen、JacobKoffler等人采用微尺度连续投影光刻方法(μCPP)来创建一个复杂的中枢神经系统结构应用于脊髓再生医学。μCPP可以在1.6秒内快速打印出适合啮齿动物脊髓的3D仿生水凝胶支架，同时尺寸的可伸缩性可以适应人类脊髓和受损脊髓。研究发现，负载神经祖细胞(npc)的µCPP 3D打印支架在脊髓损伤体内可以支持轴突再生，帮助损伤部位进行修复。因此，三维仿生支架提供了一种通过精准医疗实现中枢神经再生的方法。

参考文献：

Jacob Koffler*, Wei Zhu,Xin Qu, Oleksandr Platoshyn, Jennifer N. Dulin,John Brock, Lori Graham, Paul Lu, Jeff Sakamoto,Martin Marsala, Shaochen Chen* and Mark H. Tuszynski*. Biomimetic3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair. Nature Medicine, 2019.

DOI: 10.1038/s41591-018-0296-z

https://www.nature.com/articles/s41591-018-0296-z

5. 3D打印制备新型压电材料丨Nature Materials

压电材料在压力传感，能量转换等领域有着广阔的应用前景，但是材料的压电常数通常受组成材料晶体结构的限制。有鉴于此，弗吉尼亚理工大学郑小雨教授团队发展了一种设计并制造压电常数可控的压电材料的新方法。他们通过3D打印的方法成功制备出具有复杂三维结构的钙钛矿基压电纳米复合材料，研究发现该材料在给定模式下可实现随外加应力选择性地抑制、反转或增强的电压响应。此外，3D打印技术制备的新型压电材料具有高的压电常数和可控的灵敏度，可用于创建下一代智能基础设施。

参考文献：

Huachen Cui,Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar,Min Gyu Kang, Shashank Priya andXiaoyu (Rayne) Zheng*. Three-dimensional printing of piezoelectricmaterials with designed anisotropy and directional response. Nature Materials,2019.

DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0268-1

6. 利用电容器边缘效应的水凝胶3D打印技术丨Science Advances

近几十年来，水凝胶在细胞培养、组织工程、软体机器人和离子设备等方面的应用得到了极大的发展。现有的水凝胶3D打印技术对水凝胶前驱体的物理化学性质要求严格，对打印的水凝胶结构也有诸多限制。有鉴于此，西安交通大学Jikun Wang和卢同庆等人提出了一种利用电容器边缘效应的新颖方法，成功建立了一个包含图案化和堆积过程的完整水凝胶3D打印体系。这项技术具有普适性，可以适用于各类水凝胶的打印，克服了现有技术的限制。该技术为快速打印非常复杂和精确的水凝胶结构提供了极大的可能性，如人工组织，软材料，柔性电子器件和软体机器人等。

参考文献：

Jikun Wang*, Tongqing Lu*, MengYang, Danqi Sun, Yukun Xia, Tiejun Wang. Hydrogel 3Dprinting with the capacitor edge effect. Science Advances, 2019.

DOI: 10.1126/sciadv.aau8769

http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau8769