向人造组织器官的方向前进：Nature& Science 3D打印材料研究进展

三维（3D）打印近年来引起了极大的关注和研究，并已成为一种很有前景的制造技术，这种技术将彻底改变我们对零件的设计和制造方式的认识。其应用已从快速复制原型扩展到人体组织工程，电子设备，软机器人和高性能超材料等领域。这篇文章总结了3D打印技术的最新进展研究，以供各位同行参考。

1. Nature:Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing¹

在目前研究实践中，基于喷墨的三维（3D）打印是唯一能够广泛使用于制备高精度3D体素化材料的方法，但是喷墨液滴形成的物理原理要求使用低粘度墨水以确保打印成功。相比之下，直接用墨水书写（一种基于挤出墨水的3D打印方法）能够将更多的材料用于这一技术。然而，通过以层状方式挤出整体圆柱形细丝很难产生由多种材料构成的体素。这项工作使用多材料多喷嘴3D（MM3D）打印技术设计和制造体素化软物质的过程，MM3D打印头利用了类似二极管的行为，这种行为是多种粘弹性材料在交汇处汇聚时实现的，从而可以在多达八种不同的材料之间进行无缝的高频切换，以创建体积接近喷嘴直径的立方体素。这一技术可制备出Miura折纸图案14和千足虫状的软机器人，该机器人通过同时打印刚度变化了几个数量级的多种环氧树脂和有机硅弹性体油墨而运动。这种方法大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料范围。

2. Nat.Mat.: Three-dimensional printing of multicomponent glasses using phase-separating resins²

通过三维（3D）打印对氧化物玻璃进行数字化制造代表了玻璃设计和制造方式的重大转变，这为探索当前技术无法实现的功能提供了机会。3D打印玻璃的一些有吸引力的应用受其化学成分的限制，并且受基于粒子的玻璃或熔融玻璃技术的低分辨率困扰。这项工作报告一个数字光处理3D打印平台，该平台利用光致聚合引起的杂化树脂相分离来创建形状复杂，空间分辨率高和多氧化物化学成分的玻璃部件。与传统的多孔玻璃制造方法类似，利用相分离现象来制造复杂的玻璃零件，该零件使用台式打印机制造出具有任意几何形状的光控多尺度孔隙度和致密多组分透明玻璃。由于眼镜的大多数功能特性都来自于其透明度和多组分性质，因此该3D打印平台可应用于对特的技术，科学和艺术领域。

3. Nat.Mat.: Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response³

压电系数受到构成材料的固有晶体结构的限制，在这项工作中，作者描述了具有任意压电系数张量的压电材料的设计和制造路线。基于对结构单元模式族的电子位移图的操纵。通过增加材料的方式制造具有复杂三维结构的自由形钙钛矿型压电纳米复合材料来实现设计思路。活化的压电超材料的最终电压响应可以通过施加应力来选择性地抑制，逆转或增强。另外，这些机电超材料仅使用其母体材料的一小部分即可实现较高的比压电常数和可控的柔韧性。该方法可用于创建下一代智能基础设施，该基础设施能够执行各种结构和功能任务，包括同时进行冲击吸收和监测，三维压力映射和方向性检测。

4. Nat.Biotechnol: A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory⁴

DNA存储可提供大量的信息密度和出色的半衰期。作者设计了一种“事物的DNA”（DoT）存储体系结构来生产具有不变内存的材料。在DoT框架中，DNA分子记录数据，然后将这些分子封装在纳米二氧化硅珠中，将其融合成各种材料，这些材料可用于打印或铸造任何形状的物体。首先，将DoT应用于三维打印斯坦福兔子（Stanford Bunny）的过程，其中包含以一个45 kB字节的DNA蓝图进行合成。作者合成了五代兔子，每一代都来自上一代的记忆，没有额外的DNA合成或信息降解。为了测试DoT的可扩展性，在有机玻璃眼镜镜片中的DNA中存储了一个1.4 MB的视频，并通过切开一小块有机玻璃并对嵌入的DNA进行测序来对其进行检索。DoT可以用于在医疗植入物中存储电子健康记录，隐藏日常对象中的数据以及制造包含其自身蓝图的对象，也可以促进自动复制机的开发。

5. Nat.Biotechol.: A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity⁵

组织工程学面临的挑战是生产可实用尺寸，形状和结构完整性的三维（3D）血管化细胞结构。这篇文章提出了一种集成的组织器官打印机（ITOP），它可以制造任何形状的稳定的，人类规模的组织结构。通过将载有细胞的水凝胶与可生物降解的聚合物一起印刷成一体的图案并固定在牺牲层水凝胶上，可以实现机械稳定性。通过将临床成像数据表示为解剖缺陷的计算机模型，并将该模型转换为控制打印机喷嘴运动的程序，可以实现准确组织构造，该程序将细胞分配到离散位置。将微通道掺入组织构建体中有助于营养物质向印刷细胞的扩散，从而克服了100-200μm的扩散极限，可在工程组织中存活。我们通过制造下颌骨和颅骨，软骨和骨骼肌来证明ITOP的功能。 ITOP的未来发展是针对人类应用的组织生产以及更复杂的组织和实体器官的构建。

6. Science: Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface⁶

这篇文章报告了使用移动液体界面（氟化油）的聚合物组件的立体光刻三维打印方法，以减少界面和打印对象之间的粘合力，从而实现连续且快速的打印过程，而无需考虑聚合物前体。床体的面积不受热限制的大小限制，因为流动的冷却油可以在整个打印区域内进行直接降温。已经证明，连续垂直打印速度超过每小时430毫米，体积吞吐量为每小时100升，并且已经能够打印由硬塑料，陶瓷前体和弹性体制成的概念结构。

7. Science: 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart⁷

胶原蛋白是人体细胞外基质的主要成分。事实证明，制造能够复制组织和器官的结构和功能的胶原蛋白支架具有很大的挑战性。这项工作提出了一种使用悬浮水凝胶可逆包埋（FRESH）嵌入3D生物打印胶原蛋白的方法，以从毛细血管到整个器官的尺度上工程化制备人类心脏的各个组成部分。通过控制pH驱动的胶凝作用，可提供20微米的细丝分辨率，可实现快速细胞浸润和微血管形成的多孔微结构，以及用于制造和灌注多尺度血管和三叶瓣膜的机械强度。研究者们发现FRESH 3D生物打印的心脏可准确地重现患者通过显微计算机断层扫描确定的特定解剖结构。打印有人心肌细胞的心室在收缩期高峰期显示同步收缩，定向动作电位传播。

8. Sci. Adv.: Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials⁸

三维（3D）打印或增材制造，作为未来先进制造的一项革命性技术，通常会在功能性应用程序中打印复杂梯度控制不佳的零件。这篇文章提出一种使用灰度光图案和两阶段固化油墨的单槽灰度数字光处理（g-DLP）3D打印方法，以获得功能梯度最高的具有三个数量级和高分辨率的机械梯度材料。为了演示g-DLP，研究者们直接制造具有受控屈曲和变形顺序的复杂2D / 3D晶格，负泊松比超材料，具有刚度变化的术前模型，用于4D打印的复合材料以及防伪3D打印。

9. Sci. Adv.: Hydrogel 3D printing with the capacitor edge effect⁹

近几十年来，水凝胶在细胞培养，组织工程，软机器人和离子设备中的应用取得了长足发展。正在开发用于水凝胶结构的先进制造技术，以满足用户指定的要求。现有的水凝胶3D打印技术对水凝胶前体的物理和化学性质以及已打印的水凝胶结构施加了实质性限制。这项研究提出了一种利用电容器边缘效应对分辨率为100μm的液体进行构图的新颖方法。这项工作建立了一个完整的水凝胶3D打印系统，将图案和堆叠过程结合在一起。该技术适用于多种水凝胶，克服了现有技术的局限性。印刷的水凝胶结构，包括水凝胶支架，对温度敏感的水凝胶复合材料以及离子型高完整性水凝胶展示装置。所提出的技术为使用多种成分和复杂几何形状的快速成型水凝胶装置提供了巨大的机会。

10. Sci. Adv.: Topology optimization and 3D printing of multimaterial magnetic actuators and displays¹⁰

未来致动系统发展将需要执行多个紧密耦合的功能，类似于它们的自然对应功能；例如，必须具有同时控制位移和高分辨率外观的能力，才能模仿墨鱼的伪装。由于生成高尺寸设计和开发多功能材料及其相关的制造过程的综合复杂性，因此创建集成的致动系统具有挑战性。因此研究者们提供了一个完整的工具包，其中包括多目标拓扑优化（用于设计综合）和多材料按需按需三维打印，以制造复杂的执行器（> 106设计尺寸）。致动器由软质和硬质聚合物以及响应磁场的磁性纳米颗粒/聚合物复合材料组成。拓扑优化器为单个体素（体积元素）分配材料，同时针对物理变形和高分辨率外观进行优化。通过多材料制造过程统一基于拓扑优化的设计策略，可以创建复杂的执行器，并为实现自动化，目标驱动的设备提供了一条有潜力的途径。

参考文献

1. Mark, Skylar, S., Jochen,M. Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing. Nature, 2019, 575, 330–335.

2. Moore, D.G., Barbera, L., Masania. Three-dimensional printing of multicomponent glasses using phase-separating resins. Mat.2019, DOI:10.1038/s41563-019-0 525-y.

3. Huachen,C., Ryan, H., Desheng, Y. Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response.  Mat. 2019, 18, 234–241.

4. Julian,K., Silvan, G., Kunal, M. A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory. Nat. Biotechnol. 2019, DOI: 1038/s41587-019-0356-z.

5. Hyun-Wook K., Sang J. L., In K. K. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat. Biotech. 2016, 34, 312–319.

6. David, W.,James, L. H., Chad, A. M. Rapid, large-volume, thermally controlled 3D printing using a mobile liquid interface. Science, 2019, 366, 360-364.

7. Lee,, Hudson, A. R., Shiwarski, D. J. 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart. Science, 2019, 365, 482-487.

8. Xiao, K., Jiangtao,W., Kaijuan, C. Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials. Sci. Adv. 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aav5790.

9. Jikun, W., Tongqing,L., Meng, Y. Hydrogel 3D printing with the capacitor edge effect. Sci. Adv. 2019, 5, 8769.

10. Subramanian,S., Melina, S., David, K. Topology optimization and 3D printing of multimaterial magnetic actuators and displays. Sci. Adv. 2019, 5, 1160.

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