圖丨pixabay
3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。
近年來，3D打印頻出奇招，備受贊譽，對整個工業制造領域都產生了顛覆性的影響。LOM（Laminated Object Manufacturing）、FDM（Fused Deposition Modeling）、SLS（Selective Laser Sintering）等3D打印技術先后涌現出來，使陶瓷3D打印、金屬3D打印、彩色3D打印、混合材料3D打印等成為現實。從個性化定制的工業設計、人造器官、醫療器械、飛機零件，到衣服、鞋子，再到大型建筑、飛機、汽車的直接制造，3D打印似乎無所不在，無所不能。
今天，我們要分享的是來自多個國際頂級研究團隊關于3D打印技術最新的6篇重要成果，包括2篇打印原理創新的工作，以及4篇偏重應用的研究，希望對相關研究人員有所啟發。
1. 里程碑之作，3D打印開辟新篇章丨Science（點擊查看詳細解讀）
目前常規的立體光刻3D打印機主要使用掃描點光源或投影儀來順序地逐層構建3D對象，這往往會導致邊緣的“階梯”效應，也難以生產柔性物體，因為可彎曲的材料在打印過程中會變形，并且打印某些特定形狀的物體時需要支撐物。有鑒于此，加州大學伯克利分校的Hayden K. Taylor教授課題組發展了一種新的3D打印技術，引入了旋轉打印策略，無需逐層打印，直接在高粘度樹脂容器內通過光聚合一次形成整個3D物體。
研究人員采用了一種計算軸向光刻技術（computedaxiallithography, CAL），在圍繞垂直軸旋轉時，將預先計算的光圖案序列數字投影到樹脂容器中，旋轉時可以在樹脂中照射出上千個不同的投影。隨著時間的推移，累積的光暴露穿過聚合閾值的區域變為實心，而不穿過該閾值的區域保持未固化，從而一次性印刷出所設計的三維物體。
參考文獻：
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. 通過體積聚合抑制圖案化實現快速、連續的3D打印丨Science Advances
目前的3D打印方法制造速度慢，并常常會獲得具有脊形表面的產品。相比之下，連續立體光刻打印克服了傳統設備的逐層操作，大大提高了打印速度，并能夠生成表面光滑的產品。密歇根大學Martin P. de Beer教授和Harry L. van der Laan教授等人報道了一種新型的3D打印技術，通過利用含有互補光引發劑和光抑制劑的丙烯酸甲酯樹脂配方的雙色光照射來實現。在這種方法中，其中一種波長的光照射產生的光致圖案化聚合抑制體積在空間上限制了同時由第二種波長的光照射引發聚合的區域。此外，使用這種方法產生的抑制體積可以局部控制聚合區域的厚度，從而影響單次曝光和形貌圖案化。
參考文獻：
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. 受晶體微結構啟發的抗損傷結構化材料丨Nature
輕質的結構材料是由節點和支柱的周期性排列組成的，并且可以展現出傳統固體材料不具備的特性。以往報道過的結構材料通常是由相同的結構單元構成的，單元的重復排列使其具有相同的方向。因此，當加載超過屈服點時，會產生局部的高應力帶，進而導致材料的機械強度嚴重受損。有鑒于此，英國倫敦帝國理工學院的Minh-Son Pham等人利用晶體材料中發現的硬化機制，通過模仿晶體材料的微尺度結構，利用3D打印技術來開發強度大且耐損傷的結構化材料。該方法結合了冶金中的硬化機制和結構化材料，使得設計的材料具有輕量化、機械堅固等優點。
參考文獻：
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. 用于脊髓損傷修復的仿生3D打印支架丨Nature Medicine
3D打印技術在各個領域都取得了長足的發展，在生物領域也是如此，但是由于中樞神經系統(CNS)結構的復雜性，其3D打印工作仍需完善。有鑒于此，美國加州大學圣地亞哥分校Mark H.Tuszynski、ShaochenChen、JacobKoffler等人采用微尺度連續投影光刻方法(μCPP)來創建一個復雜的中樞神經系統結構應用于脊髓再生醫學。μCPP可以在1.6秒內快速打印出適合嚙齒動物脊髓的3D仿生水凝膠支架，同時尺寸的可伸縮性可以適應人類脊髓和受損脊髓。研究發現，負載神經祖細胞(npc)的μCPP 3D打印支架在脊髓損傷體內可以支持軸突再生，幫助損傷部位進行修復。因此，三維仿生支架提供了一種通過精準醫療實現中樞神經再生的方法。
參考文獻：
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打印制備新型壓電材料丨Nature Materials
壓電材料在壓力傳感，能量轉換等領域有著廣闊的應用前景，但是材料的壓電常數通常受組成材料晶體結構的限制。有鑒于此，弗吉尼亞理工大學鄭小雨教授團隊發展了一種設計并制造壓電常數可控的壓電材料的新方法。他們通過3D打印的方法成功制備出具有復雜三維結構的鈣鈦礦基壓電納米復合材料，研究發現該材料在給定模式下可實現隨外加應力選擇性地抑制、反轉或增強的電壓響應。此外，3D打印技術制備的新型壓電材料具有高的壓電常數和可控的靈敏度，可用于創建下一代智能基礎設施。
參考文獻：
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. 利用電容器邊緣效應的水凝膠3D打印技術丨Science Advances
近幾十年來，水凝膠在細胞培養、組織工程、軟體機器人和離子設備等方面的應用得到了極大的發展。現有的水凝膠3D打印技術對水凝膠前驅體的物理化學性質要求嚴格，對打印的水凝膠結構也有諸多限制。有鑒于此，西安交通大學Jikun Wang和盧同慶等人提出了一種利用電容器邊緣效應的新穎方法，成功建立了一個包含圖案化和堆積過程的完整水凝膠3D打印體系。這項技術具有普適性，可以適用于各類水凝膠的打印，克服了現有技術的限制。該技術為快速打印非常復雜和精確的水凝膠結構提供了極大的可能性，如人工組織，軟材料，柔性電子器件和軟體機器人等。
參考文獻：
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
