3D打印科研突破：2023年《Science》和《Nature》正刊上的十篇文章

3D打印可以有效地創(chuàng)建復(fù)雜的三維材料結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力,，如醫(yī)學(xué),、電子學(xué)、機(jī)器人和航空航天,。在打印材料,、打印技術(shù)（速度、精度）等方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,。

《Nature》和《Science》期刊是在學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)的國(guó)際綜合性科學(xué)周刊,，發(fā)布的都是科學(xué)世界中的多次重大發(fā)現(xiàn),、重要突破和科研成果，3D打印作為近些年的熱門技術(shù),，眾多研究團(tuán)隊(duì)在上面發(fā)表過(guò)非常多與之相關(guān)的科研成果,，南極熊整理了十篇2023年正刊相關(guān)文章。

一,、《Science》：深穿透聲學(xué)體積打印(DAVP)——使用粘彈性墨水和高強(qiáng)度聚焦超聲波

來(lái)自哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院和杜克大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種新的3D打印方法,，稱為深穿透聲學(xué)體積打印（DVAP）,，該技術(shù)使用粘彈性墨水和高強(qiáng)度聚焦超聲波,。相關(guān)研究成果以題為《Self-enhancing sono-inks enable deep-penetration acoustic volumetric printing》發(fā)表在《Science》上。

體積打印是一種新興的增材制造技術(shù),，可以提高打印速度和表面質(zhì)量�,，F(xiàn)有的體積打印技術(shù)幾乎完全依賴光能來(lái)觸發(fā)光敏材料的光聚合反應(yīng)，限制了材料的選擇和構(gòu)建尺寸,。

此研究使用了一種用于深穿透聲學(xué)體積打�,。―AVP）的自增強(qiáng)聲波墨水（或聲波墨水）設(shè)計(jì)和相應(yīng)的聚焦超聲書寫技術(shù)，使用實(shí)驗(yàn)和聲學(xué)建模來(lái)研究頻率和掃描速率相關(guān)的聲學(xué)打印行為,。DAVP 實(shí)現(xiàn)了低聲流,、快速聲熱聚合和大打印深度的關(guān)鍵特征，能夠打印各種形狀的體積水凝膠和納米復(fù)合材料,。DAVP 還允許在生物組織中進(jìn)行厘米深度的打印,，為微創(chuàng)醫(yī)學(xué)鋪平了道路！

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1563

二,、《Science》:普適性的納米材料3D打印新方法

清華大學(xué)化學(xué)系張昊副教授,、李景虹院士、精密儀器系林琳涵副教授,、孫洪波教授共同開(kāi)發(fā)了一種普適性的納米材料3D打印新方法,，簡(jiǎn)稱為3D Pin，通過(guò)引入光敏氮賓小分子,，實(shí)現(xiàn)了多種無(wú)機(jī)納米材料（半導(dǎo)體,、金屬、氧化物納米材料）的納米級(jí)3D打印,，結(jié)構(gòu)具有高的無(wú)機(jī)組分占比,，并具有優(yōu)異的力學(xué)性能與可調(diào)諧的光學(xué)性能。相關(guān)研究成果以題為《3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals》發(fā)表在《Science》上,。

3D Pin工作原理：膠體納米晶體由內(nèi)部的無(wú)機(jī)組分與表面配體組成,，其中配體通過(guò)空間位阻或電荷排斥作用使納米晶體在溶液中保持膠體穩(wěn)定性，起到重要作用,。3D Pin通過(guò)光化學(xué)的方法,，在膠體納米晶溶液中添加少量小分子的雙疊氮分子,，用光引發(fā)氮賓生成與有機(jī)配體的非特異性C-H插入反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)納米晶之間的強(qiáng)共價(jià)鍵連接,。隨著光源在溶液中移動(dòng),，納米晶經(jīng)歷了擴(kuò)散-聚集-鍵合的過(guò)程，形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),。疊氮分子具有特定波段的紫外吸收,，可以通過(guò)相應(yīng)紫外光的單光子吸收過(guò)程與長(zhǎng)波的雙光子吸收過(guò)程實(shí)現(xiàn)不同分辨率的打印，F(xiàn)TIR與XPS證實(shí)了該反應(yīng)機(jī)理,。這種非特異性的反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)致了該方法可以普適性地應(yīng)用在各類膠體納米晶體中,。

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681

三、《Science》：石英玻璃3D打印工藝,，免燒結(jié)！

來(lái)自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院和加利福尼亞州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的石英玻璃3D打印工藝,，使用雙光子聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自由形式熔融二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的免燒結(jié)打印制造,，這在3D打印領(lǐng)域引起不小的轟動(dòng)。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Science》上,，題目為《A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass》(《一種無(wú)燒結(jié),、低溫的3D打印納米級(jí)光學(xué)玻璃的工藝》)。

該技術(shù)主要采用丙烯酸酯功能化的多面體低聚硅氧烷（POSS）樹(shù)脂進(jìn)行自由形態(tài)熔融二氧化硅納米結(jié)構(gòu)的無(wú)燒結(jié),、雙光子聚合,，以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的打印。與傳統(tǒng)通過(guò)犧牲性粘合劑不同,，這種POSS樹(shù)脂本身構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡(luò),，僅在650℃時(shí)就能形成透明的熔融石英。這個(gè)溫度比將離散的二氧化硅顆粒熔化成連續(xù)體的燒結(jié)溫度低500°C,。

△熔融石英結(jié)構(gòu)的顯微照片

這種玻璃 3D 打印的新工藝為高科技應(yīng)用,、光子學(xué)和微光學(xué)開(kāi)辟了許多有趣且具有前瞻性的可能性。POSS-玻璃 TPP 3D 打印路線可能有助于重新定義硅玻璃自由形式制造的范例,，并克服主導(dǎo)該領(lǐng)域的基于粒子的方法的基本局限性：

●研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于開(kāi)發(fā)的 POSS 樹(shù)脂,，與載有顆粒的粘合劑相反，它是自身聚合成連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡(luò),。因此,，該材料避免了將離散二氧化硅顆粒燒結(jié)成連續(xù)體所需的極端溫度，從而僅在 650°C 時(shí)即可轉(zhuǎn)化為熔融二氧化硅,。

●基于 TPP 方法 ,，通過(guò)將溫度降低約 500°C，這使得二氧化硅玻璃的自由形式合成低于微系統(tǒng)技術(shù)基本材料的熔點(diǎn),，包括銀,、銅,、金和鋁。這代表了一項(xiàng)突破,，使透明物質(zhì)的片上 3D 打印從最先進(jìn)的有機(jī)聚合物發(fā)展為彈性光學(xué)級(jí)熔融石英,。

●POSS 玻璃工藝突破了臨界分辨率限制，在可見(jiàn)光譜中實(shí)現(xiàn)了自由形式的二氧化硅納米光子器件,，同時(shí)能夠制造數(shù)百個(gè)微米尺寸的高縱橫比結(jié)構(gòu),。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037

四、《Science》：高精度3D打印有機(jī)硅

佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了一種有機(jī)硅 3D 打印技術(shù),，該技術(shù)可使用多種市售有機(jī)硅配方生產(chǎn)出精密,、準(zhǔn)確、堅(jiān)固且功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu),。為了達(dá)到這種性能水平,，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一由硅油乳液制成種的支撐材料。這種材料對(duì)硅基油墨表現(xiàn)出的界面張力可以忽略不計(jì),，消除了通常會(huì)導(dǎo)致打印的硅樹(shù)脂特征變形和斷裂的破壞力,。他們的研究?jī)?nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了頂刊《Science》上，題目為《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》,。

研究人員通過(guò)使用被硅油連續(xù)相包圍的密集乳液作為支持材料,，用硅基材料 3D 打印出精確、獨(dú)立,、高度詳細(xì)的物體,。這種技術(shù)可以精確控制支撐材料和打印流體之間的界面張力。作者證明,，他們可以打印小至4微米的特征,，以及機(jī)械堅(jiān)固、薄壁,、精確的人體脈管系統(tǒng)模型,。

打印油墨和其支持材料之間界面張力會(huì)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)造成破壞性。研究結(jié)果表明,，AMULIT技術(shù)的多功能性消除了為3D應(yīng)用配制專門的PDMS油墨的需要,，改進(jìn)了以前的硅膠打印方法。AMULIT的關(guān)鍵在于配制與其支持的油墨化學(xué)性質(zhì)相似的支持材料,，在這種情況下,，PDMS油墨被打印到PDMS油的連續(xù)體中，同樣的原則也可用于水性聚合物,。

油墨和支撐介質(zhì)之間的化學(xué)性質(zhì)相似,，到兩種材料之間的混合不會(huì)影響打印質(zhì)量。此外，乳狀液之間的弱的吸引力相互作用可能會(huì)使界面的另一側(cè)發(fā)生反應(yīng),。鑒于聚合物系統(tǒng)的多樣性和可用性,，以及AMULIT支持材料配方的簡(jiǎn)單性，AMULIT方法在3D打印中的應(yīng)用范圍將超越硅基設(shè)備,。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

五,、《Science》：3D打印+機(jī)器學(xué)習(xí)——檢測(cè)出孔隙的形成

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種高精度的方法，可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)從熱特征中檢測(cè)出孔隙的形成,，實(shí)施這種孔隙形成跟蹤有助于避免建造由于高孔隙率而導(dǎo)致失效的部件,。通過(guò)同步高速同步x射線成像和熱成像，結(jié)合多物理模擬,，發(fā)現(xiàn)了Ti-6Al-4V激光粉末床熔合過(guò)程中的兩種小孔振蕩,。進(jìn)一步通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)大了這種理解，實(shí)現(xiàn)了以亞毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率和近乎完美的預(yù)測(cè)率來(lái)檢測(cè)隨機(jī)小孔孔隙生成事件,，這一簡(jiǎn)單實(shí)用的策略有望在商業(yè)系統(tǒng)中得到應(yīng)用,。

相關(guān)工作以《Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion》為題，于2023年1月5日發(fā)表在《Science》上,，這也是2023年首篇發(fā)表在《Science》上有關(guān)3D打印的論文,。

△Ti6Al4V隨機(jī)孔隙的生成過(guò)程

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add4667

六、《Nature》：視覺(jué)控制噴射(VCJ)技術(shù)

來(lái)自麻省理工學(xué)院,、先進(jìn)增材制造解決方案的先驅(qū)Inkbit™公司和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型 3D 噴墨打印系統(tǒng)，展示了如何使用其視覺(jué)控制噴射(VCJ)技術(shù)直接在一次打印中制造復(fù)雜的多功能系統(tǒng),，無(wú)需組裝子組件,，并且可使用更廣泛的材料。他們所采用的視VJC技術(shù)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)掃描 3D 打印表面并實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)噴嘴沉積的樹(shù)脂量,，以確保任何區(qū)域的材料適當(dāng),。這項(xiàng)具有里程碑意義的研究以題為《Vision-controlled jetting forcomposite systems and robots》的論文于2023年11月15日發(fā)表在《Nature》雜志上。

Inkbit 的 VCJ 技術(shù)起源于傳統(tǒng)的噴墨 3D 打印,，現(xiàn)在通過(guò)集成支持 AI 的3D 計(jì)算機(jī)視覺(jué)掃描系統(tǒng),，實(shí)時(shí)捕獲每層的打印幾何形狀，將其提升到一個(gè)全新的水平,。這種數(shù)字閉環(huán)反饋控制操作消除了對(duì)機(jī)械平整裝置的需求,，并能夠使用慢固化化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行打印，從而更精確地構(gòu)建聚合物鏈,。因此,，VCJ 可以直接準(zhǔn)確、精確地打印具有各種機(jī)械性能的復(fù)雜,、多材料零件,。

這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用非常廣泛。VCJ不僅增強(qiáng)了打印元件的分辨率和功能能力，它還可以制造復(fù)雜的通道和腔體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),，以通過(guò)結(jié)構(gòu)傳輸信號(hào),、電力或流體。借助 VCJ,，現(xiàn)在可以直接制造能夠大規(guī)模執(zhí)行復(fù)雜物理任務(wù)的復(fù)雜多功能系統(tǒng),。為了展示 VCJ 的功能，研究人員打印了各種復(fù)雜的系統(tǒng),，例如：根據(jù) MRI 數(shù)據(jù)建模的肌腱驅(qū)動(dòng)手,、氣動(dòng)行走機(jī)械手、模仿心臟的泵以及新穎的超材料結(jié)構(gòu),。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06684-3

七,、《Nature》：3D打印鈦合金——α-β Ti-O-Fe合金，堅(jiān)固,、延展性和可持續(xù),！

香港理工大學(xué)科學(xué)家與皇家墨爾本理工大學(xué)和悉尼大學(xué)合作，成功利用3D打印解決了鈦合金生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的質(zhì)量和廢物管理等問(wèn)題,。這項(xiàng)研究以題為《Strong and ductiletitanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing》(《通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性鈦氧鐵合金》)的論文發(fā)表在《Nature》雜志上,。

△陳子斌博士

鈦合金是先進(jìn)的輕質(zhì)材料，在許多關(guān)鍵應(yīng)用中發(fā)揮著不可或缺的作用,。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，創(chuàng)新地使用增材制造來(lái)生產(chǎn)鈦合金和其他潛在的金屬材料具有許多優(yōu)勢(shì)，例如降低成本,、提高性能和可持續(xù)廢物管理,。通過(guò)使用3D打印，研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出了一種新型的堅(jiān)固,、延展性和可持續(xù)的鈦合金（α-β Ti-O-Fe合金）,。這些性能是通過(guò)加入廉價(jià)且豐富的氧和鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它們是α-β 相鈦合金的兩種最強(qiáng)大的穩(wěn)定元素和強(qiáng)化劑,。新型鈦合金在多種應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力——從航空航天和海洋工程到消費(fèi)電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備,。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05952-6

八、《Nature》：高通量打印梯度材料,，在打印過(guò)程中可改變墨水混合比例

來(lái)自美國(guó)印第安納州圣母大學(xué)航空航天與機(jī)械工程副教授Yanliang Zhang開(kāi)發(fā)了一種新穎的3D打印方法,，該方法通過(guò)在單個(gè)打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印，能夠以傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式生產(chǎn)材料,。這項(xiàng)研究以題為《High-throughput printing ofcombinatorial materials from aerosols》發(fā)表在《Nature》雜志上,。

這種新的3D打印工藝被稱為高通量組合打印 (HTCP)，它是通過(guò)在單個(gè)打印噴嘴中混合多種霧化納米材料墨水完成打印,，并且在打印過(guò)程中可改變墨水混合比例,。HTCP方法可控制打印材料的3D結(jié)構(gòu)和局部成分，并以微尺度空間分辨率生產(chǎn)具有梯度成分和特性的材料。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

九,、《Nature》：新型3D打印合金可承受極端條件

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和俄亥俄州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印高溫材料方面取得了突破,，這種材料可能會(huì)為飛機(jī)和航天器制造出更堅(jiān)固、更耐用的部件,。相關(guān)研究以《A 3D printable alloy designed for extreme environments》為題發(fā)表在《Nature》上,。論文中詳細(xì)介紹了新合金GRX-810的特性。GRX-810是在NASA的“TTT”項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)的,，得到了該機(jī)構(gòu)的研發(fā)計(jì)劃支持,。

△3D打印制作NASA標(biāo)志。

GRX-810是一種氧化物彌散強(qiáng)化合金,。換句話說(shuō),，散布在合金各處的含有氧原子的微小顆粒增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度。這種合金是制造用于高溫應(yīng)用的航空部件的極佳候選者,，比如飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的部件,，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶_(dá)到斷裂點(diǎn)之前可以承受更惡劣的條件。目前最先進(jìn)的3D打印高溫合金可以承受高達(dá)2000華氏度的溫度,。與這些相比,，GRX-810的強(qiáng)度是它們的兩倍，耐用性是它們的1000倍以上,，抗氧化性是它們的兩倍,。

總之，研究人員提出了一種新的NiCoCr基ODS合金GRX-810的設(shè)計(jì),、表征和性能,，與現(xiàn)有的AM合金相比，它在極端環(huán)境下具有優(yōu)越的性能,。在合金設(shè)計(jì)中使用計(jì)算建模產(chǎn)生了平衡性能和可加工性的成分，具有先進(jìn)的表征,，可以深入了解潛在的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制,。與目前使用的高溫合金相比，GRX-810在1093°C下的蠕變性能有了數(shù)量級(jí)的提高,，從而可以將AM用于極端環(huán)境下的復(fù)雜部件,。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

十、《Nature》：旋轉(zhuǎn)多材料3D打印,，將現(xiàn)有的打印細(xì)節(jié)拓展到了比“體素”更小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

來(lái)自哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物啟發(fā)工程研究所的科研人員們將多材料和旋轉(zhuǎn)兩種要素結(jié)合并應(yīng)用在了3D打印技術(shù)上,，創(chuàng)造了一個(gè)新型的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印平臺(tái)（RM-3DP），實(shí)現(xiàn)了3D打印細(xì)絲中的亞體素控制,。并且利用這一方法制造了高保真度螺旋介電彈性體致動(dòng)器,，為研發(fā)功能性人造肌肉帶來(lái)了可能性。另外，研究團(tuán)隊(duì)還制造了分層晶格,，利用結(jié)構(gòu)化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入剛性彈簧,，為仿生多功能材料開(kāi)辟了新途徑。

△亞體素制造

據(jù)了解,，RM-3DP具備兩個(gè)特征：
1. 具有方位異質(zhì)亞體素特征的多材料噴嘴
2. 打印頭配置了多個(gè)壓力控制的墨水槽以及噴嘴自由旋轉(zhuǎn)功能

RM-3DP的打印方式將熔融沉積與光固化兩種模式結(jié)合,，結(jié)構(gòu)方面選取了FDM的龍門控制系統(tǒng)，而在打印材料方面則將聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物與光引發(fā)劑以及相應(yīng)添加劑混合成為粘性“墨水”并通過(guò)紫外燈光實(shí)現(xiàn)材料固化,。通過(guò)以上技術(shù),，研究團(tuán)隊(duì)能夠在打印細(xì)絲內(nèi)部制造具有垂直或者螺旋形狀的亞結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有的打印細(xì)節(jié)拓展到了比“體素”更小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu),。

全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7