超过40个3D打印学术科研突破大汇总！

2020年12月3日，很快就过年了。今年3D打印依然大火，无论是产业界还是科研界。那么在科学研究上，有哪些突破性进展呢？新的技术突破，往往孕育着新的市场应用机会。南极熊希望下文可以帮助读者从3D打印领域“掘金”。

《自然（nature）》杂志和《科学（science）》杂志是在学术界享有盛誉的国际综合性科学周刊，发布的都是科学世界中的多次重大发现、重要突破和科研成果。而3D打印作为近些年的热门技术，众多研究团队在nature、science发表过非常多的科研成果（貌似从事3D打印技术发表顶级论文，存在很多的机会）。

之前，南极熊整理了在nature、science杂志上发表的部分3D打印技术论文《世界顶级学术杂志nature、science上的3D打印技术（第一部分）》，接下来南极熊继续整理2020年在nature、science杂志以及子刊上发表的关于3D打印技术及其相关应用的论文。

（下文约1．5万字，收集了超过40个3D打印学术科研突破）

nature 子刊：厦门大学利用增材制造制造磁共振探针头

2020年11月29日，中国厦门大学的研究人员利用快速成型制造技术创造了更精确的磁共振系统。他们已将工作成果发表在科学界权威期刊《 nature communications 》杂志上。研究的重点是制造磁共振探针头，这是一种用于医学想象、生物材料检测、空间成像和化学分析的非常难以制造的仪器。探头依靠射频线圈来返回颗粒细节。因此，生产这些线圈的精度会影响可能返回的数据质量。

△利用a熔融沉积建模（FDM）和b立体光刻外观（SLA）技术，根据仿真设计逐层制作一个完整的探针头（c），d液态金属通过注射孔灌注到模型中，形成射频线圈，e射频线圈通过两根铜条与匹配电路连接，形成一个完整的探针。液态金属通道的入口和出口用银浆完全密封。可以制作和利用各种适合MR应用的3D打印探针头，包括f用于MR的U管鞍形探针头（SAP）、U管Alderman－Grant探针头（AGP）、反应监测探针头（RMP）、电化学反应监测探针头（ECP）、梯度探针头（GP），以及g用于MRI的改进型螺线管成像探针头（MSO）、改进型Alderman－Grant成像探针头（MAG）。

厦门大学的科学家们将增材制造与液态金属注射成型结合起来使用。液态金属被用来制造微米级的定制射频线圈。这些线圈与定制的样品室相辅相成。样品室是一个中性空间，其中无线电频率和磁能是一个已知的量，这使得仪器可以测量磁场中的扭曲。定制化的样品室几何形状允许磁共振仪器针对不同的应用进行定制。这些传感器件连接到射频电路接口。仪器组件稳定在一个单件3D打印的聚合物块中。

Nature子刊：3D打印用于神经肌肉接口的柔性电子植入器件

来自德国德累斯顿理工大学的Ivan R． Minev和俄罗斯圣彼得堡国立大学的Pavel Musienko的团队在Nature Biomedical Engineering杂志上发表了题为“Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces”的文章，展示了一种利用软复合材料制造生物电极阵列的技术，可以快速成型连接神经肌肉系统的软电极植入物。

研究人员使用具有弹性和生物相容性的材料进行多材料打印，制造电极阵列。通过挤压、喷墨和等离子表面活化来处理不同性质的材料，且电极数量和配置的可迭代设计保证了电极阵列的可定制性。

绝缘基体由具有剪切变稀效应的硅胶挤出而成，控制电极阵列的整体几何形状、组织接触位置和互连路径。基体处理后可通过喷墨打印沉积电气导管。

《Nature》子刊：一种3D打印的高强度、抗缺陷高温合金！

美国加州大学圣巴巴拉分校的Tresa M． Pollock等研究者，报道了一类高强度、抗缺陷的3D打印高温合金，成分主要是含有大约相等的Co和Ni，以及Al、Cr、Ta和W。在打印和后期加工时具有超过1．1 GPa的强度，在室温下拉伸延性大于13％。相关论文以题为“A defect－resistant Co–Ni superalloy for 3D printing”发表在NatureCommunications上。

本文中，研究者提出了一种可以通过选择性激光熔炼（SLM）和电子束熔炼（EBM）两种制造途径加工的CoNi－基高温合金，尽管存在高体积分数的理想“熔化”相γ′，但仍可产生无裂纹的部件。在凝固过程中，较低的溶质偏析降低了裂纹敏感性，而一旦凝固完成，降低的液相γ′－“溶解”温度减轻了开裂。室温拉伸试验表明，与目前正在研究的其他镍基高温合金相比，CoNi－基高温合金具有优良的延性和强度组合。
Nature Communication：剑桥大学3D打印仿生珊瑚结构培养藻类

来自剑桥大学和加州大学圣地亚哥分校的联合研究小组，制造了3D生物打印的模仿珊瑚结构，能够生长微观藻类群落。这项发表在《 Nature Communication》杂志上的研究，旨在提供一种最终减少温室气体排放并改善发展中国家用于生物制品的藻类种植的方法。

Nature子刊：单液滴连续光固化3D打印

中科院化学所的宋延林、吴磊研究了打印过程中三相接触线（TCL）的后退现象，在nature communications上发表了题为＂Continuous 3D printing from one single droplet＂的研究成果，极大提高了光固化3D打印的材料利用率。

从界面的角度来看，基体的化学成分和表面粗糙度对三相接触线（TCL）的动态有很大的影响。根据对天然莲花和猪笼草表面的观察，表面的空气或液体会大大降低界面在基底上的粘附，从而导致液滴的球形接触或液体接触这些表面时的滑动现象。研究人员受这些现象的启发，展示了一种从单个液滴中制造三维结构的界面操作方法，具有较高的材料利用率。该系统采用低液体树脂附着力和低固化树脂附着力的固化界面，使3D打印过程具有可伸缩的三相接触线。有效地减少了印刷过程中残留树脂的量，树脂利用率显著提高。此外，该工艺也防止了在高打印速度下高紫外线强度所造成的额外固化。

单液滴连续光固化打印主要可以分为四个步骤，（1）在辐照平面上滴一滴液态树脂；（2）成型平面下降，接触液滴；（3）通过将UV图案连续投射到固化界面上并以恒定的速度提升成型面，液体树脂可固化为显示的UV图案；（4）在印刷过程中，树脂液滴的TCL随着液体树脂的消耗而下降。最后，将液滴固化成所需的3D固化结构，且在基板上几乎没有残留物。如Figure1 b－e所示，采用24mm长的固化圆柱形网格结构，树脂利用率为99．6％。由于液体树脂与成型面之间的粘附作用，剩余0．4％的液体树脂留在成型面上。

Nature 子刊：新型类器官打印技术实现大尺寸组织构建

瑞士洛桑联邦理工学院Matthias P． Lutolf课题组近期在Nature Materials发表“Recapitulating macro－scale tissue self－organization through organoidbioprinting”（该组刚发了一篇肠道类器官构建的Nature）。介绍了一种新型类器官打印技术方法，该方法结合了类器官制造技术和生物3D打印技术的优势，并成功构建了高度仿生的厘米尺度的组织，包括管状结构，分支血管和管状小肠上皮体内样隐窝和绒毛域等，为药物发现和再生医学研究提供了新的技术手段。

研究者创新性的提出了BATE打印技术（termed bioprinting－assisted tissue emergence），使用干细胞和类器官作为自发的自组织构建单元，这些构建单元可以在空间上排列以形成相互连接且不断进化的细胞结构。

令人叹服的是研究者逆天的动手能力：将一个微挤出系统和显微镜（自带三维运动台）相结合，构建了一个自带显微图像实时观察的打印系统，并脑洞打开的提出了未来可基于自动显微镜实现时空结合的生物3D打印，即打印第一种组织，并培养发育出一定的功能和形态后，再基于显微成像，放回打印机在第一种组织周边打印第二种组织，在空间和时间上都精准控制组织的发育。

Nature子刊：Facebook开发3D打印虚拟现实手套

Facebook虚拟现实实验室团队宣布开发出3D打印的虚拟现实（VR）手套。这套设备是与康奈尔大学的研究人员一起开发的，具有柔软的气动执行器，可以 ＂测量局部力 ＂并为用户提供 ＂触觉反馈＂。研究人员的研究结果在他们发表在《自然－通讯》杂志上的题为 ＂3D printable tough silicone double networks＂的论文中进行了详细介绍。该报告由Thomas J． Wallin、Leif－Erik Simonsen、Wenyang Pan、Kaiyang Wang、Emmanuel Giannelis、Robert F． Shepherd和Yi?it Mengü?共同撰写。

为了创建他们的新材料，研究人员使用了一种硫醇烯有机硅配方作为基础，因为它具有低粘度、快速凝胶化和高反应转化的品质。相比之下，DN中的次要聚合物需要形成自己独特的网络，因此团队使用了Mold Max系列树脂，因为它们固有的韧性和刚性。

两阶段的组合过程中，橡胶依次形成了光固化的硫醇烯有机硅和机械坚固的冷凝固化有机硅。随后的红外光谱测试表明，两个网络的相对质量分数可以调整树脂的打印性和机械性能。

利用四种不同的锡基橡胶材料，该团队随后尝试改变其DN中的基础材料，以调整其机械特性。

《Nature》：实现“不可能”！3D打印微型二氧化硅气凝胶

近日，瑞士联邦材料实验室的赵善宇研究员、Wim J． Malfait研究员合作利用3D打印技术将二氧化硅气凝胶颗粒与二氧化硅溶胶结合，首次成功制备出微型二氧化硅气凝胶。该气凝胶只含二氧化硅，且比表面积高达751 m2／g，热导率仅为15．9 mW／（m·K）。该研究以题为“Additive manufacturing of silica aerogels”发表在《Nature》上。

二氧化硅气凝胶具有极低的热导率和其独特的开孔结构，在隔热、催化、物理、环境修复、光学设备和超高速粒子捕获等方面有着广泛的应用。它的一个主要缺点是较脆。虽然在一些体积较大的应用如建筑隔热设计方面，可以利用纤维增强或者胶黏剂的方法解决较脆的问题。但是，在制备小型二氧化硅气凝胶时仍然受到限制。增材制造为小型化提供了思路，但一直被认为不适用于制备二氧化硅气凝胶。

Nature子刊：近红外光交联水凝胶用于活体生物3D打印

来自意大利帕多瓦大学的Nicola Elvassore团队在Nature Biomedical engineering上发表题为“Intravital three－dimensional bioprinting”文章，提出了一种活体生物3D打印方法。他们开发的光敏水凝胶HCC通过生物正交双光子环加成法，可以在大于850nm的波长下交联，可实现在活小鼠的组织内制造复杂组织结构。

该研究证实了近红外光激发下进行活体生物3D打印的可行性。这种活体3D生物打印不会对生物组织造成伤害且具有非常高的组织穿透能力，可以利用常用的多光子显微镜对生物打印结构进行精确定位和定位，使活鼠组织内部的复杂结构得以制造，包括真皮、骨骼肌和大脑。

Nature子刊：金属3D打印催化剂／反应器一体化系统

2020年8月17日，《nature communications》杂志上发表了一篇论文“metal 3D printing technology for functional integration of catalytic system”，研究了金属3D打印产品本身可以同时作为化学反应器和催化剂（称为自催化）。Fe－SCR和Co－SCR成功地催化了Fischer－Tropsch合成的液体燃料和CO2加氢；Ni－SCR通过CO2重整CH4有效地生产合成气（CO／H2）。此外，Co－SCR的几何研究表明，金属3D打印本身可以建立多种控制功能来调整催化产物的分布。本项研究提供了一种简单、低成本的制造方法，实现了催化剂和反应器的功能集成，将促进化学合成和3D打印技术的发展。

催化剂和反应器是传统催化系统的两个基本要素。催化剂可以改变反应途径，提高反应效率，或选择性地生产目标化学品。反应器具有为各种催化反应提供适宜环境的重要功能。虽然这两个基本要素已经发展了这么多年，但它们的研究重点却截然不同。催化剂的研究主要集中在制备方法、反应机理、结构表征、催化剂性能等方面。而反应器的研究则主要集中在更新反应器类型和功能、提高传热传质、降低压降等方面。到目前为止，催化剂和反应器的研究仍然是两个不同的方向，很少有研究成功地将催化剂和反应器进行功能集成，从而有效地控制化学反应。因此，在未来的催化体系中，亟需发展它们的功能集成和协同作用，以实现优异的化学合成。

Nature Communications：利用三维立体光刻技术构建具有非均质微机械环境的三维生物支架

美国科罗拉多大学机械工程系Xiaobo Yin教授团队在Nature Communications上发表了题为Orthogonal programming of heterogeneous micro－mechano－environmentsand geometries in three－dimensional bio－stereolithography的研究论文。该论文通过应用三维立体光刻技术（DLP打印技术）对水凝胶材料进行具有机械异质性三维支架的打印研究，成功构建了具有不同刚度的水凝胶支架，为体外机械异质三维组织的制造开辟了新的途径。

在DLP打印技术中，水凝胶材料在光源的照射下进行交联，从而形成具有一定形状的凝胶结构，其中曝光剂量（曝光强度和曝光时间）是非常重要的工艺参数，它直接影响了水凝胶的交联密度和每层固化厚度，大剂量的曝光（过大的曝光强度或者过长的曝光时间）在提高水凝胶交联密度的同时，也会大大增加固化厚度使得打印精度十分低下。而在光照交联的过程中，氧气（O2）的存在会形成氧抑制区域，影响最后的打印结果。但在该研究中，他们发现控制一定程度的氧抑制层的存在，可以使得每层的固化厚度对曝光剂量不敏感，但是却可以很好地调节局部的交联密度，从而来构建局部不同的机械刚度。

《Nature》：受制造刀剑的顶级用钢的启发采用3D打印制造新型钢材

来自马普研究所的人利用激光增材制造技术来制备Fe－Ni－Ti合金，并通过开发出相应地快速淬火和用于DED的固有热处理技术，成功制备出强度为1．3GPa、延伸率为10％的新型钢材，这一结果发表在近日出版的《Nature》上。现在光不语带领大家一睹为快。

激光增材制造（LAM）在采用CAD文件进行制造复杂、三维的金属制品上是非常有吸引力的新型的制造技术。该技术采用数字化的技术，通过控制冷却速率和循环加热来控制工艺参数和显微组织使得控制更加容易。作者最近也报道了采用循环加热技术，又叫固有热处理技术，可以促进Ni－Al析出相在LAM制造时实现原位析出。在这里，来自马普研究所的研究人员报道了采用LAM技术对Fe19Ni5Ti（质量百分比）合金进行原位定制的研究结果。这种钢通过Ni－Ti纳米析出相的原位硬化、原位马氏体的形成来实现的，处理温度为极易实现的200摄氏度。通过在LAM过程中对纳米析出相和马氏体相变的局部控制来形成复杂层级的显微组织，通过多尺度来实现。从大约100纳米厚的层厚到纳米尺度的析出。受到古代大马士革钢的启发（一种古代制作刀剑的顶级用钢，在国外称之为大马士革钢），由软硬交互层组成，该钢在古代是由有经验的铁匠采用折叠锻造的方法来实现的。我们也采用LAM技术制造出软硬交替的层。此次制造的材料其拉伸强度达到了1．3GPa、延伸率达到10％，其优异的机械性能远远优于传统的大马士革钢。其原位析出强化的机制和局部显微组织，控制的原理还可以广泛地应用析出强化合金和不同的增材制造工艺。

Nature Communications ：华南理工大学研发出3D打印水凝胶支架修复“小弟弟”，成功恢复雄兔生殖能力！

华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授构建了一种表面有肝素涂层的3D打印水凝胶支架，并向其中植入了缺氧诱导因子（HIF－1α）突变的肌源性干细胞（MDSCs），以制备生物工程血管化海绵体。将这种水凝胶支架植入海绵体缺损的兔模型中，显示出良好的生物相容性，无免疫排斥反应，支持血管组织向内生长并促进新血管生成以修复缺陷。对修复后海绵体组织的形态、海绵体内压力、弹性和收缩性的评价证明3D打印水凝胶支架不仅成功修复了阴茎缺损并恢复了阴茎勃起和射精功能，恢复了受伤雄兔的生殖能力。

《Nature》子刊：3D打印镜头可实现超远距离光谱分析

2020年5月15日，波兰华沙大学的研究人员利用激光直接书写（DLW）3D打印技术设计出了微米大小的镜片。这种3D打印的透镜可以在各种材料上制作，包括易碎的石墨烯类材料。物理系的研究团队解释说，这种透镜可以取代之前需要的笨重的显微镜物镜，而这些物镜是执行单个纳米大小的发光体（如量子点或原子薄的2D材料）的光谱测量所需的。

此外，这些笨重的显微镜必须放置在离待分析样品约十分之一英寸的距离，这可能会对许多类型的现代实验造成限制。研究人员表示，使用3D打印的镜头，可以将镜头正面与样品表面之间的工作距离增加了两个数量级以上。这有可能为大类光学实验开辟了新的前景。

Nature：静电喷流偏转3D打印亚微米级结构，速度快1千到1万倍

2020年2月，西班牙的研究人员利用静电喷流偏转技术设计出了一种具有亚微米级特征的超快3D打印方法。在详细介绍这项新技术的论文中，作者解释说，他们创建静电射流偏转方法是为了克服现有快速成型制造技术在生产速度方面的限制。从他们的测试中，研究人员发现，静电射流偏转法可以通过将纳米纤维以高达2000赫兹的逐层频率堆叠在一起，实现3D打印出具有亚微米级特征的物体。

所达到的喷射速度和逐层频率相当于在平面方向上的打印速度高达0．5 m每秒，垂直方向上的打印速度为0．4 mm每秒，研究人员称，这比同等精度特征尺寸的技术 ＂快三到四个数量级＂。

《Nature》子刊：MIT工程师使用导电聚合物3D打印柔性脑部植入物

2020年4月22日，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员和工程师正在利用3D打印技术开发柔软、灵活的大脑电极，而所使用的材料是一种导电聚合物液体材料。在对导电聚合物3D打印的研究中，麻省理工学院的工程师们正致力于开发出符合大脑轮廓的软性神经植入物，并在不伤害周围组织的情况下，对活动进行较长时间的监测。

通常情况下，脑部植入物由金属材料制成，但是金属会引起炎症和疤痕组织的堆积。而使用3D打印的柔性聚合物电子器件，有可能为现有的金属电极提供一种更柔软、更安全、更快速的替代方案，用于监测大脑活动。因此，这项研究也可能有助于开发刺激神经区域的大脑植入物，以缓解癫痫、帕金森氏症和严重抑郁症的症状。

在该论文中，研究人员介绍了一种基于聚（3，4－乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）的可3D打印导电聚合物墨水溶液。通常是一种类似液体的导电聚合物溶液，它含有纳米纤维，提供了该材料的导电性能。麻省理工学院的团队将这种物质转化为一种更接近于 ＂粘性牙膏 ＂的材料，以使其可3D打印，同时仍保留了材料固有的导电性。

使PEDOT：PSS溶液与3D打印兼容的过程包括将材料冻干，去除液体，并留下干燥的纳米纤维基体。然后将这些纳米纤维与他们之前开发的水和有机溶剂的溶液混合，形成嵌入纳米纤维的水凝胶。通过对不同的水凝胶形态进行实验，研究人员发现，在5％到8％（按重量计算）之间的纳米纤维产生了一种类似牙膏的材料，这种材料既具有导电性，又适合送入3D打印机。

Nature子刊 ｜“聚合物刷超表面光刻”技术， 纳米级4D打印时代未来可期！

美国纽约市立大学的Adam B． Braunschweig（通讯作者）团队报道了一种“聚合物刷超表面光刻”技术，其可以独立控制图案中每个像素的单体组成和特征高度，并且像素边缘长度约为5 μm，同时避免了对昂贵光掩模的需求。将这些图案称为超曲面，借用从同名的数学概念来表示该图案，在该模式中，每个像素有三个以上的属性可以独立控制（即用x和y位置表示聚合物高度和化学成分）。因为四维（4D）打印已被用来表示对象的加性制造，且这些对象的形状随着外部刺激而随时间改变。为了创建这些超表面，作者集成了数字微镜设备（DMD）、微流控技术和安装在压电平台上的无氧反应室。

基于DMD的打印机已与微流体技术相结合，用于寡核苷酸和寡肽微阵列的制造，并可以制备用于组织工程的支架。该打印机是基于TERA－Print E系列仪器构建的，其可协调DMD（1024×768个独立可控反射镜）、光源（405 nm LED，32 mW cm－2）和带有CPU接口的压电平台以投射图案从上载的图像文件中获取的图像。惰性气氛腔室由一个密封的聚苯乙烯电池、一个玻璃窗（将光从DMD传递到表面）以及用于将单体溶液引入反应性底物的管子的入口和出口孔组成。功能化基材上的另一块玻璃板形成50 μL反应池，其中溶液通过毛细作用力被吸到表面上。由单体、溶剂和光敏剂组成的反应溶液通过注射泵控制反应池内的流量引入和退出。此外，可以在上游并入微流体混沌混合器以混合不同比例的组分。该研究成果以题为“Polymer brush hypersurface photolithography”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

nature子刊：氧化石墨烯与蛋白质3D打印出复杂血管组织

2020年3月5日，近日《Nature Communications》上发表了一项关于3D打印的最新研究，详细介绍了氧化石墨烯与一种蛋白质的3D打印，可以组织成复杂的血管组织。这项研究由诺丁汉大学和伦敦玛丽皇后大学的Alvaro Mata教授领导。

Mata教授解释说：“通过从纳米级开始有序地进行合成，生物成分的自上而下的3D打印以及自下而上的自组装，为生物制造提供了机会。在这里，我们正在制造与细胞兼容的微尺度毛细管状流体结构，具有生理相关的特性，并具有流动的能力。”

Mata补充说：“这可以使实验室中的脉管系统恢复活力，并对开发更安全，更有效的药物产生影响，这意味着治疗方法有可能更快地到达患者手中。”

Nature子刊：生物3D打印向临床转化的机遇与挑战

目前，3D打印的手术导板、骨植入物、颌面部植入物和一些无生物活性的医疗器械在医院屡见不鲜，但是3D打印的活细胞支架应用到临床依然面临巨大的挑战。近期，维克森林医学院的Anthony Atalat教授在Nature Biomedical Engineering上发表了题为“Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting”的Perspective论文，系统地分析了生物3D打印技术向临床转化所面临的机遇和挑战。

首先，介绍了生物打印技术在软骨、骨、和皮肤应用上的临床进展：

软骨

目前打印的软骨组织在植入体内后具有组织学和力学性能（图1a）。未来为了更好地实现软骨组织的生理功能，需要重点突破生长因子、机械性能和干细胞的梯度打印。

骨

目前主要利用生物打印技术诱导骨愈合（图1b），而大段缺损还需要结合非打印的传统产品来修复。此外，生物打印也很难制造兼顾形态和功能的骨组织。

皮肤

目前主要利用原位生物打印技术，对细胞和材料进行精确的控制，实现原位皮肤修复（图1c、d），但是现有的技术仍不能完全模拟皮肤的形态、理化和生理特性，包括促进、调节毛囊的正常发育，色素沉着，表皮的形成和成熟。

Nature子刊：光固化丝素蛋白墨水生物3D打印

韩国哈林大学医学院的Chan Hum Park和美国威克森林医学院的Sang Jin Lee团队首次合成了一种光固化生物墨水材料：甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白（Sil－MA）。研究发现，Sil－MA具有优秀的载细胞DLP打印性能、良好的成软骨能力及与天然软骨相匹配的机械性能。相应研究成果分别发表于期刊Nature Communications和Biomaterials上。

清华大学《Science》论文：金属3D打印致命气孔产生原因找到了！

2020年11月27日，清华大学机械工程系助理教授赵沧与卡内基梅隆大学和弗吉尼亚大学的学者合作发布了关于金属激光3D打印的最新成果。该项研究起于宏观工艺，立于微观细节。宏观层面上，在激光功率－扫描速率空间中，匙孔气泡缺陷区域的边界清晰而平滑，且受金属粉末加入的影响甚微。在微观层面上，这些气泡缺陷的形成与匙孔根部的临界失稳有关；后者可以在熔池中释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔、并被凝固前端捕捉。

关于匙孔气泡区边界和气泡缺陷起源的艺术插图。左侧，在激光功率－扫描速率空间中，匙孔气泡区边界清晰而平滑。右侧，在该边界附近，匙孔根部的临界失稳释放出声波（冲击波），进而驱动气泡快速远离匙孔。当气泡被凝固前端捕捉，便成了缺陷。

Science Advances：互补网络生物墨水用于扩展和优化生物3D打印能力

伦敦帝国理工学院生物医学工程研究所的Molly M． Stevens团队，在Science Advances发表的“Expandingand optimizing 3D bioprinting capabilities using complementary network bioinks”一文中，研究人员通过使用互补网络生物墨水实现了生物3D打印过程中成型性和生物相容性之间更好地兼容。该研究中所用的生物墨水同时具有温敏性及光敏性，它们通过互补的凝胶机制来调节打印过程的不同阶段。

在该研究中，研究人员通过筛选合适浓度的水凝胶刚度以实现星形胶质细胞的3D打印及培养，并进行了互补网络生物墨水应用于组织工程的探索，且最终满足细胞培养和组织工程的生物学需求。

Science Advances：上转换纳米引发剂实现皮下原位光固化3D打印

四川大学的苟马玲研究员、钱志勇教授和魏霞蔚教授团队通过蓝光引发剂LAP包裹上转换纳米粒子制备了核－壳结构纳米光引发剂（UCNP＠LAP）。依托该光引发剂开创性地实现了皮下原位DLP打印。相关研究论文：Noninvasive in vivo 3Dbioprinting发表于杂志Science Advances上。

上转换材料是一种能实现上转换发光的材料。所谓上转换发光，指的是材料受到低能量的光激发，发射出高能量的光，即将吸收的长波长、低频率光转换为短波长、高频率光。

上转换材料由无机基质及镶嵌在其中的稀土掺杂离子组成，通过调节无机基质及掺杂稀土离子组成、比例可将近红外激发光转化为紫外或可见光。

Scientific Reports：大阪大学3D打印有血管网络的心脏组织

日本大阪大学的研究人员最近发表了一篇论文‘Vascularized cardiac tissue construction with orientation by layer－by－layer method and 3D printer．’，介绍了他们在血管化心脏构造方面进行生物3D打印实验的发现。论文的作者是Yoshinari Tsukamoto，Takami Akagi和Mitsuru Akashi，发表在《Scientific Reports》杂志上。

随着组织工程在全球实验室中的不断发展，离3D打印人体器官的目标越来越近。尽管对于许多科学家来说，这种进展似乎遥不可及，但新研究中3D组织的制造仍在继续快速发展。在本项研究中，作者进一步完善了心脏组织工程学。

剑桥大学Science子刊：组合3D打印微纳纤维作为呼吸传感器

2020年初，全球集中爆发了新型冠状病毒、流行性感冒等急性呼吸道疾病。在此背景下，对于普通民众有关口罩种类选择和正确佩戴的指导可以帮助减轻疾病传播的风险。基于此，英国剑桥大学黄艳燕教授Biointerface课题组研发了一种组合3D打印的微小透明导电纤维，该纤维可以制作成低成本和可穿戴便携式呼吸湿度传感器，传感器可以灵敏的检测人们佩戴不同种类口罩时呼吸气体的扩散情况。

相关研究成果于9月30日以“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures”为题发表于Science旗舰子刊Science Advances，论文第一作者为课题组博士生王文宇。同时，这项研究成果也登上了剑桥大学主页9月30日的热点新闻。

研究团队通过组合3D打印制备了复合维纳纤维，这种复合纤维具有双层结构、高纯度导电内芯可由金属（银）或导电高分子（PEDOT：PSS）制成，外层是保护性聚合物包裹，类似于普通电线的双层结构，但直径只有1－3微米。该纤维在打印出的同时就可以很好的集成到电路中，在不需要任何后期处理的情况下可以实现极低的接触电阻。

《Science Advances》3D打印无溶剂超软弹性体

加州大学圣巴巴拉分校华人学者Renxuan Xie和Sanjoy Mukherjee教授团队介绍一种设计概念，该概念使得能够在室温下对超软且无溶剂的洗瓶刷弹性体进行3D打印。关键的进展是一类包含统计性刷式聚合物的油墨，这些聚合物会自组装成有序的以人体为中心的立方球体相。这些软固体在20°C时会响应剪切作用而产生急剧且可逆的屈服，其屈服应力可以通过控制微相分离的长度尺度进行调整。

可溶性光交联剂的加入可以使挤出后的紫外线完全固化，从而形成超软弹性体，具有接近完美的可恢复弹性，远超过屈服应变。这些结构属性设计规则创造了令人兴奋的机会，以当前材料和工艺无法实现的方式定制3D打印弹性体的性能。

Engineering：适用于生物植入物的2D／3D／4D增材制造材料

著名学术杂志《Engineering》上刊登了一篇香港城市大学研究人员发表的综述文章，“Development of Bioimplants with 2D， 3D， and 4D Additive Manufacturing Materials（可用于生物植入物开发的2D／3D／4D增材制造材料）”。

在过去的30年中，增材制造（AM）发展迅速，并在生物医学应用中显示出巨大的潜力。AM是一种面向材料的制造技术，因为材料固化机制，打印结构精度，后处理过程和功能应用均是基于打印材料的。但是，用于制造生物植入物的三维（3D）可打印材料仍然非常有限。在这项工作中，对用于生物植入物的2D／3D AM材料进行了调研。此外，在吕坚教授课题组先前开发的4D打印陶瓷前驱体及陶瓷材料的基础上，本文提出了软硬集成4D增材制造概念，并对其在人体系统中复杂而动态的生物结构上的潜在应用做了展望。随着多材料打印技术的发展，可以预期会有更多工作使用2D／3D／4D AM材料开发生物植入物和软硬集成生物结构。
Science子刊：受蜘蛛网启发，研究人员开发出3D打印的防震材料

蒙特利尔理工大学机械工程系的研究人员，使用3D打印设计了一种织物，最多可吸收96％的冲击力而不会破裂。

这个团队是从蜘蛛网的自然特性中汲取了灵感，通过加热聚碳酸酯（PC）制成胶粘剂，为易碎设备制造了耐用的3D打印覆盖物。选择PC材料是因为它在通过熔融丝材制造（FFF）3D打印机挤出时粘度低。将来，这种3D打印材料可以用于制造防弹玻璃，甚至可以应用于航空领域，作为飞机发动机的保护涂层。

Science子刊：温州大学：首次实现电弧3D打印高熵合金，强度塑性都高

州大学陈希章教授团队首次突破了多股丝材增材制造高熵合金制造技术，为大尺寸和复杂形状高熵合金材料及产品的制造提供了一种有前景的制造方法，制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金综合性能优异，强度2．8GPa且塑性42％！

增材制造（AM）是一种非常有前途的制造方法，已广泛应用于各个行业。当前，通过AM方法制备高熵合金（HEA）的研究已被广泛报道。粉末的使用受到沉积效率限制，并且粉末不能打印大型零件。线材增材制造具有独特的优势，但由于HEA焊丝的生产需要将原料金属熔炼然后进行拉拔等工艺，因此至今尚未用于高熵合金的制造，成本很高，而且需要很长时间。此外，一些高熵合金具有很高的强度和脆性，很难制造金属丝。

为此，温州大学陈希章等人首次设计并开发了一种新型的具有多种元素组成的复合丝材（CCW），可以用于非等原子Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金电弧增材制造（AAM）。由7个细丝和5个元素组成的CCW具有高沉积效率、焊接电弧自旋转和节能等优点。制造的Al－Co－Cr－Fe－Ni高熵合金达到强度2．8GPa和塑性42％的优异结合。相关论文发表在Journal of Materials Science＆ Technology。

Science子刊：明尼苏达大学完成3D打印心脏瓣膜模型，模拟患者真实感受

美国明尼苏达大学的研究人员在美敦力公司的支持下，开发了一种突破性的工艺，将心脏主动脉瓣和周围结构的逼真模型进行多材质3D打印，模拟患者的真实外观和感受，有助于改善患者的预后。该研究于8月28日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志，题为“3D printed patient－specific aortic root models with internal sensors for minimally invasive applications”。

这些患者特定的器官模型，包括集成到结构中的3D打印软传感器阵列，是使用专门的墨水和定制的3D打印工艺制造的。

研究人员3D打印了主动脉根部，主动脉根部是离心脏最近并与心脏相连的部分，由主动脉瓣和冠状动脉开口组成，具有三个瓣膜，称为小叶，被纤维环包围。该模型还包括左心室肌肉和升主动脉的一部分。

《Science Advances》：仿松针多级非对称结构超疏水表面多尺度液滴定向输运

大连理工大学冯诗乐副教授，受松针表面多级非对称结构启发，使用深圳摩方材料科技有限公司PμSL 3D打印技术（nanoArch? S140），制备了仿松针多级非对称结构表面，实现了快速、长程的液滴自发定向输运。该研究以“Tip－inducedflipping of droplets on Janus pillars： from local reconfiguration to globaltransport”为题发表在国际顶级期刊《ScienceAdvances》上，为液滴的定向输运领域的发展提供了新的思路。论文第一作者为大连理工大学冯诗乐副教授，通讯作者为香港城市大学王钻开教授和巴黎高等物理化工学院David Quéré教授。

《Science》头条：3D打印制备出结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体

伊利诺伊大学香槟分校的Ying Diao教授在《Science Advances》上发表了题为“Tunable structural color of bottlebrush block copolymers through direct－write 3D printing from solution”的文章，将非平衡自组装与直写3D打印技术结合，制备了结构色可调的瓶刷嵌段共聚物光子晶体。在打印单一油墨溶液时，改变沉积条件后，BBCP PC的峰值反射波长跨度为403到626 nm（蓝到红），对应于＞70 nm 畴间距变化（Bragg－ Snell方程）。这是由于聚合物构象的调制，导致了层状畴间距的变化。

Ying Diao教授认为，在用于生产环保涂料和高选择性光学滤光片等产品的聚合物中重现结构色是一项挑战。聚合物合成和加工需要精确控制，才能形成超薄有序的层，产生我们在自然界中看到的结构色。他们成功开发了瓶刷嵌段共聚物3D直写打印的方法，使3D打印不仅可以改变材料形状，还可以改变材料物理性质。但是由于该方法不太适合大批量印刷，小组正在努力扩大这一工艺的工业相关性。他们正在与Damien Guironnet、Charles Sing和Simon Rogers小组合作，开发更容易控制的聚合物打印工艺，使我们与大自然产生的鲜艳色彩更接近。

《Science》子刊：在活体器官上原位3D打印可变形水凝胶传感器！

美国明尼苏达大学Michael C． McAlpine等人开发了一种原位3D打印系统，该系统可以实时估算目标表面的运动和变形，并利用此打印系统将传感器打印在呼吸诱导变形的猪肺上。该基于水凝胶的传感器与组织表面相容，并通过电阻抗断层扫描技术（EIT）提供变形的连续空间映射。由于离子水凝胶具有高透明度、可拉伸性、导电性、高速响应等优势，与采用其他材料EIT方法的工作相比，该技术具有对软组织的理想机械适应性等优势。

这种自适应的3D打印方法可以运用于机器人辅助的医学治疗，从而能够在人体内外直接打印可穿戴电子设备和生物材料。该研究以题为“3D printed deformable sensors”的论文发表在《Science Advances》上。

四川大学《Science Advances》：直接在生物体内进行的无创生物打印

四川大学的研究学者们报道 了采用近红外光聚合作用为基础的3D打印技术实现了体内组织重建的无创伤3D打印。在这一技术 中，通过一种数字微镜器件将近红外激光调制成定制的模式进行打印，同时通过单体溶液聚合实现空间动态的投影打印。通过在体外的近红外激光辐射，皮下注射的生物墨水可以实现在定制化的组织重建处进行原位无创打印。这一新技术可以不用通过手术植入的过程，一个个性化的耳状组织结构和一个老鼠的载细胞共形支架组织修复的案例采用无创体内生物打印进行了验证。这一工作证明体内创3D打印是可行的。

前几年，四川大学康裕建将3D生物打印血管植入恒河猴体内实验成功的消息引发业内震动。现在，四川大学在生物打印上又取得新进展，开创了体内无创生物打印，这一成果发表在近期出版的顶刊《Sciecne Advances》上。

Science子刊：胶质母细胞瘤体外3D模型的长期药效评价

发表在Science Advances杂志上题为” High－resolution tomographic analysis of in vitro 3D glioblastomatumor model under long－term drug treatment”的文章，来自特洛伊伦斯勒理工学院的Xavier Intes团队和美国波士顿东北大学的Guohao Dai团队开发了一个集成平台，该平台能够生成（i）一个具有灌注血管通道的体外3D－GBM模型，该模型允许长期培养和药物输送，（ii）一个能够使研究人员在整个体外模型上无创地评估纵向荧光信号的3D成像系统－2GMFMT（介观荧光分子层析成像）。

《Science》封面文章：3D打印陶瓷烧结只需10秒钟，速度提升1000倍

《Science》杂志发表了一篇论文，马里兰大学（UMD）材料科学与工程系（MSE）的科学家研究了一种超快速高温烧结（UHS）新工艺。在惰性气氛中通过辐射加热烧结陶瓷材料，这种方法将烧结过程所需的时间缩短到10秒钟，比传统的熔炉烧结方法快1000倍以上。在固态电池、燃料电池、3D打印等行业中具有广阔的应用前景。

论文作者为美国马里兰大学胡良兵教授、莫一非教授，弗吉尼亚理工大学、加州大学郑小雨教授和 加州大学圣地亚哥分校骆建教授团队等人（共同通讯作者），论文题目为“A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds”。

science：金属3D打印溅射缺陷新机制

2020年5月8日，世界著名顶级学术期刊Science上发布了一篇《Controlling interdependent meso－nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing》，简单可翻译为“控制金属3D打印中相互依赖的中纳秒级动力学和缺陷生成”。对于提高金属3D打印微观质量有巨大的帮助，南极熊希望产业界人士可以认真了解下。

Saad A． Khairallah等在论文中表示，最先进的金属3D打印机有望彻底改变制造业，然而它们还没有达到最佳的运行可靠性。目前的挑战是控制复杂的激光－粉末－熔体池的相互依赖性（相互依赖）动力学。使用高保真模拟，结合同步加速器实验，在中纳秒尺度上捕获了快速多瞬态动力学，并发现了新的飞溅诱导缺陷形成机制，这些缺陷的形成机制取决于扫描策略和激光跟踪和驱逐之间的竞争。得出了稳定熔池动力学和最小化缺陷的标准。这将有助于提高制造可靠性。

Science子刊：3D打印具有连续多方向刚度梯度的纤维素材料

德国斯图加特大学A．Menges教授团队发表在Science Advances杂志上题为“Additive manufacturing of cellulose－based materials with continuous， multidirectional stiffness gradients”的文章，利用材料工程和数字处理的组合方法，使具有连续，高对比度和多方向刚度梯度的纤维素基可调粘弹性材料能够进行基于挤出的多材料增材制造。建立了一种工程化具有相似组成但具有不同机械和流变性能的纤维素基材料的方法。集成这些物理和数字工具的优势是能够以多种方式实现相同的刚度梯度，从而打开了以前受材料和几何形状的刚性耦合限制的设计可能性。

为了强调将材料工程与定制制造策略相结合的重要性，本研究使用了一种环保且丰富的基于生物聚合物的制造材料，其应用范围从组织工程到建筑业。这些物理和数字工具的综合能力是能够以多种方式创建多方向的连续刚度梯度，从而扩展了FGM的设计可能性。

Science子刊：美国德克萨斯大学：可见光快速3D打印技术

将液态树脂转化为固态物体的光驱动3D打印（即光固化）传统上由工程学科主导，在任何增材制造加工中它的 构建速度最快，分辨率 最高。然而，由于降解和衰减（例如吸收和／或散射），对高能紫外光／紫光的依赖限制了材料的范围。来自美国德克萨斯大学化学系的研究人员开发出能加快可见光固化速度的光敏聚合物树脂并于8月20日发表在ACS Central Science上

Science子刊：3D打印可自主排汗的水凝胶致动器

在Science Robotics杂志上题为“Autonomic perspirationin 3D－printed hydrogel actuators”的文章，来自康奈尔大学的Robert F． Shepherd团队及其合作者报道了一种利用混合水凝胶油墨3D打印制造的软体致动器，它的创新点在于可通过致动器上的动态孔自主的局部出汗进行温度调节。

研究者选择开发两种水凝胶油墨：一种由Aam单体组成，另一种由NIPAm和AAm单体组成（摩尔比为3：1）的共聚油墨，同时还将氧化铁和二氧化硅纳米粒子掺入了油墨配方中，以减少构建时间并增加致动器的机械完整性。