3D打印7次登上《Science》，2025上半年

南極熊導讀：3D打印技術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期刊《Science》上發(fā)表的與3D打印相關的重要研究成果，展示了這一技術在多個前沿領域的突破性應用。

1. 多連環(huán)構架材料：開創(chuàng)新型互鎖結構材料



2025年1月，加州理工學院研究團隊在《Science》上發(fā)表了關于"多連環(huán)構架材料"(PAMs)的研究，并登上了《Science》封面，研究題目為3D polycatenated architected materials（三維多鏈結構材料）。此材料由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成，形成3D網(wǎng)狀結構。研究者利用3D打印技術制造了不同類型的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，解決了熱電制冷器制造的關鍵挑戰(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)化和質量控制的關鍵科學問題。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、結構與制造研究組(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，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，模量跨度達140 MPa，斷裂伸長率超1200%
●循環(huán)3D打印技術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聲音打印技術
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聲音打印技術（DISP）"，實現(xiàn)了在活體內部深層位置精準構建功能性生物結構的突破。


△圖像引導的深部組織體內聲音打印(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)劑的熱敏脂質體和氣囊組成的超聲墨水(US-ink)。該超聲墨水被注入體內，以非侵入性方式在體內精確制造功能性生物結構。基于氣囊的集成超聲成像用于監(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) 用于產生和監(jiān)測聚焦超聲(FUS)的體內打印設置。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) 用聲音在體內打印的功能性水凝膠結構。比例尺，5毫米。(F至H) 基于DISP的體內打印應用：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，這些墨水包含特殊設計的熱敏脂質體（一種對溫度變化敏感的微型囊泡）。脂質體內封裝了能夠觸發(fā)生物材料交聯(lián)固化的關鍵物質。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目標位置，產生局部溫度升高，激活熱敏脂質體釋放交聯(lián)劑，從而在指定位置形成固態(tài)生物結構。

研究亮點
●通過熱敏脂質體與超聲波精準控制系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)毫米級精度的空間控制
●無需侵入性手術，即可在體內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
●該技術在神經修復、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

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。


△三種3D打印的層流空氣干燥器（LAD）結構設計的仿真優(yōu)化

研究亮點：
●3D打印的層流空氣干燥器能產生高度均勻的層流，促進鈣鈦礦前驅體溶液中的溶劑在整個薄膜表面均一揮發(fā)。
●該技術成功實現(xiàn)了平方米級鈣鈦礦太陽能組件的連續(xù)化、規(guī)�；�生產。
●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），并通過了關鍵可靠性測試。

這一技術為鈣鈦礦太陽能電池的產業(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)�；�能力受限于能否為其生成血管——如果不提供血液供應，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
2025年上半年《Science》頂刊上發(fā)表的3D打印相關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生物打印，從大規(guī)模能源器件制造到微觀結構精確控制，3D打印技術正以其靈活性、精確性和可持續(xù)性，持續(xù)推動著科學技術的進步和產業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。這些研究不僅豐富了3D打印技術的應用場景，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。