重磅匯總！2025上半年Science七篇3D打印前沿研究

導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)作為先進(jìn)制造領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新手段，持續(xù)引領(lǐng)著材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域的變革。南極熊梳理了2025年上半年在頂級(jí)學(xué)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(gè)前沿領(lǐng)域的突破性應(yīng)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(xué)院研究團(tuán)隊(duì)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(dú)特的機(jī)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(diǎn)：
●PAMs能夠展示非牛頓流體行為，如剪切稀化和剪切增稠反應(yīng)
●在大應(yīng)變條件下表現(xiàn)出類似于晶格和泡沫的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
●在微尺度上能響應(yīng)靜電荷改變形狀

這類新材料為開發(fā)刺激響應(yīng)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(shè)計(jì)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(xué)技術(shù)研究所(ISTA)的Maria Ibáñez教授團(tuán)隊(duì)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(diǎn)：
●開發(fā)的3D打印工藝大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)保持與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)男阅?br /> ●特別設(shè)計(jì)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(dāng)

此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛，包括電子設(shè)備熱管理、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療領(lǐng)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院材料主導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)的形成機(jī)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(xué)問題。2025年2月英美加中四個(gè)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院材料、結(jié)構(gòu)與制造研究組(MSMaH)主導(dǎo)。倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和哈韋爾研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范賢強(qiáng))博士為第一作者。

研究亮點(diǎn)
●實(shí)驗(yàn)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(jī)理解釋

此項(xiàng)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(duì)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(xué)謝濤教授團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)的靈活性，難以兼顧高機(jī)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(luò)，導(dǎo)致材料難以回收。近年來，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（如酯鍵、氨酯鍵）的引入雖能實(shí)現(xiàn)部分化學(xué)回收，但需要額外添加單體或試劑，導(dǎo)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(jī)械性能調(diào)節(jié)范圍有限，難以滿足多樣化應(yīng)用需求。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于動(dòng)態(tài)解離光化學(xué)的創(chuàng)新策略，通過設(shè)計(jì)二硫縮醛鍵的動(dòng)態(tài)解離網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(diǎn)：
●首次實(shí)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(luò)設(shè)計(jì)使材料性能高度可調(diào)，模量跨度達(dá)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(lǐng)域展現(xiàn)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(xué)院和加州大學(xué)洛杉磯分校一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出"圖像引導(dǎo)的深部組織體內(nèi)聲音打印技術(shù)（DISP）"，實(shí)現(xiàn)了在活體內(nèi)部深層位置精準(zhǔn)構(gòu)建功能性生物結(jié)構(gòu)的突破。


△圖像引導(dǎo)的深部組織體內(nèi)聲音打印(DISP)。(A) DISP平臺(tái)示意圖。DISP系統(tǒng)使用由非交聯(lián)預(yù)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)。基于氣囊的集成超聲成像用于監(jiān)測目標(biāo)器官，檢測預(yù)聚合物的存在，并確保準(zhǔn)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(shè)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(yīng)用：用于感知和記錄的生物電子設(shè)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(shè)備/組織界面的生物粘合劑(H)。

DISP本質(zhì)上創(chuàng)建了一個(gè)"遠(yuǎn)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(dǎo)入體內(nèi)，這些墨水包含特殊設(shè)計(jì)的熱敏脂質(zhì)體（一種對(duì)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(zhǔn)地將聲能集中到體內(nèi)目標(biāo)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(diǎn)
●通過熱敏脂質(zhì)體與超聲波精準(zhǔn)控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)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(yīng)不同醫(yī)療需求，包括導(dǎo)電型、藥物載體型、細(xì)胞載體型和生物粘合型等
●該技術(shù)在神經(jīng)修復(fù)、心臟病治療、癌癥靶向治療、組織再生等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，開創(chuàng)了微創(chuàng)治療的新紀(jì)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(dǎo)納米科技有限公司、浙江科技學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院、浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科研人員在《Science》上發(fā)表了一項(xiàng)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(shè)計(jì)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(dòng)了高效、穩(wěn)定的平方米級(jí)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(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化

研究亮點(diǎn)：
●3D打印的層流空氣干燥器能產(chǎn)生高度均勻的層流，促進(jìn)鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中的溶劑在整個(gè)薄膜表面均一揮發(fā)。
●該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了平方米級(jí)鈣鈦礦太陽能組件的連續(xù)化、規(guī)�；�生產(chǎn)。
●最大面積的組件達(dá)到7906平方厘米，認(rèn)證效率高達(dá)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(dòng)清潔能源發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001

7. 快速模型指導(dǎo)的器官級(jí)合成血管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2025年6月，斯坦福大學(xué)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(xì)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(xué)統(tǒng)計(jì)，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(yīng)。為了縮短等待時(shí)間并降低排斥反應(yīng)的可能性，再生醫(yī)學(xué)研究人員正在開發(fā)利用患者自身細(xì)胞按需制造個(gè)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(dá)新生器官的每個(gè)部分是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)。斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出新的工具，用于設(shè)計(jì)和3D打印極其復(fù)雜的血管樹，這些血管樹負(fù)責(zé)將血液輸送到整個(gè)器官。研究者表示：“目前，生物打印組織的規(guī)模化能力受限于能否為其生成血管——如果不提供血液供應(yīng)，就無法擴(kuò)大這些組織的規(guī)模。我們能夠使生成血管的算法運(yùn)行速度比以往方法快約 200 倍，并且可以生成器官等復(fù)雜形狀的血管�！�

研究亮點(diǎn)
●新的設(shè)計(jì)平臺(tái)能以比以往更快的速度生成與人體血管系統(tǒng)相似的設(shè)計(jì)
●該算法的運(yùn)行速度比以往方法快約200倍，可生成器官等復(fù)雜形狀的血管
●研究者已能設(shè)計(jì)并打印包含500個(gè)分支的血管模型，并測試證實(shí)能維持細(xì)胞存活

這項(xiàng)技術(shù)為器官生物制造領(lǐng)域提供了突破性解決方案，有望縮短器官移植等待時(shí)間并降低排斥反應(yīng)可能性，為再生醫(yī)學(xué)開辟了新道路。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152
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(xué)、能源、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，展示了3D打印技術(shù)在解決科學(xué)前沿和工程實(shí)際問題中的獨(dú)特價(jià)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(dòng)著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(yīng)用場景，也為材料設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)、清潔能源等領(lǐng)域帶來了新的思路和可能性。