向人造組織器官的方向前進：Nature&?Science?3D打印材料研究進展

三維（3D）打印近年來引起了極大的關注和研究，并已成為一種很有前景的制造技術，這種技術將徹底改變我們對零件的設計和制造方式的認識。其應用已從快速復制原型擴展到人體組織工程，電子設備，軟機器人和高性能超材料等領域。這篇文章總結了3D打印技術的最新進展研究，以供各位同行參考。

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

在目前研究實踐中，基于噴墨的三維（3D）打印是唯一能夠廣泛使用于制備高精度3D體素化材料的方法，但是噴墨液滴形成的物理原理要求使用低粘度墨水以確保打印成功。相比之下，直接用墨水書寫（一種基于擠出墨水的3D打印方法）能夠將更多的材料用于這一技術。然而，通過以層狀方式擠出整體圓柱形細絲很難產生由多種材料構成的體素。這項工作使用多材料多噴嘴3D（MM3D）打印技術設計和制造體素化軟物質的過程，MM3D打印頭利用了類似二極管的行為，這種行為是多種粘彈性材料在交匯處匯聚時實現的，從而可以在多達八種不同的材料之間進行無縫的高頻切換，以創建體積接近噴嘴直徑的立方體素。這一技術可制備出Miura折紙圖案14和千足蟲狀的軟機器人，該機器人通過同時打印剛度變化了幾個數量級的多種環氧樹脂和有機硅彈性體油墨而運動。這種方法大大拓寬了可以設計和制造復雜圖案的體素化材料范圍。

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

通過三維（3D）打印對氧化物玻璃進行數字化制造代表了玻璃設計和制造方式的重大轉變，這為探索當前技術無法實現的功能提供了機會。3D打印玻璃的一些有吸引力的應用受其化學成分的限制，并且受基于粒子的玻璃或熔融玻璃技術的低分辨率困擾。這項工作報告一個數字光處理3D打印平臺，該平臺利用光致聚合引起的雜化樹脂相分離來創建形狀復雜，空間分辨率高和多氧化物化學成分的玻璃部件。與傳統的多孔玻璃制造方法類似，利用相分離現象來制造復雜的玻璃零件，該零件使用臺式打印機制造出具有任意幾何形狀的光控多尺度孔隙度和致密多組分透明玻璃。由于眼鏡的大多數功能特性都來自于其透明度和多組分性質，因此該3D打印平臺可應用于對特的技術，科學和藝術領域。

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

壓電系數受到構成材料的固有晶體結構的限制，在這項工作中，作者描述了具有任意壓電系數張量的壓電材料的設計和制造路線。基于對結構單元模式族的電子位移圖的操縱。通過增加材料的方式制造具有復雜三維結構的自由形鈣鈦礦型壓電納米復合材料來實現設計思路。活化的壓電超材料的最終電壓響應可以通過施加應力來選擇性地抑制，逆轉或增強。另外，這些機電超材料僅使用其母體材料的一小部分即可實現較高的比壓電常數和可控的柔韌性。該方法可用于創建下一代智能基礎設施，該基礎設施能夠執行各種結構和功能任務，包括同時進行沖擊吸收和監測，三維壓力映射和方向性檢測。

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

DNA存儲可提供大量的信息密度和出色的半衰期。作者設計了一種“事物的DNA”（DoT）存儲體系結構來生產具有不變內存的材料。在DoT框架中，DNA分子記錄數據，然后將這些分子封裝在納米二氧化硅珠中，將其融合成各種材料，這些材料可用于打印或鑄造任何形狀的物體。首先，將DoT應用于三維打印斯坦福兔子（Stanford Bunny）的過程，其中包含以一個45 kB字節的DNA藍圖進行合成。作者合成了五代兔子，每一代都來自上一代的記憶，沒有額外的DNA合成或信息降解。為了測試DoT的可擴展性，在有機玻璃眼鏡鏡片中的DNA中存儲了一個1.4 MB的視頻，并通過切開一小塊有機玻璃并對嵌入的DNA進行測序來對其進行檢索。DoT可以用于在醫療植入物中存儲電子健康記錄，隱藏日常對象中的數據以及制造包含其自身藍圖的對象，也可以促進自動復制機的開發。

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

組織工程學面臨的挑戰是生產可實用尺寸，形狀和結構完整性的三維（3D）血管化細胞結構。這篇文章提出了一種集成的組織器官打印機（ITOP），它可以制造任何形狀的穩定的，人類規模的組織結構。通過將載有細胞的水凝膠與可生物降解的聚合物一起印刷成一體的圖案并固定在犧牲層水凝膠上，可以實現機械穩定性。通過將臨床成像數據表示為解剖缺陷的計算機模型，并將該模型轉換為控制打印機噴嘴運動的程序，可以實現準確組織構造，該程序將細胞分配到離散位置。將微通道摻入組織構建體中有助于營養物質向印刷細胞的擴散，從而克服了100-200μm的擴散極限，可在工程組織中存活。我們通過制造下頜骨和顱骨，軟骨和骨骼肌來證明ITOP的功能。 ITOP的未來發展是針對人類應用的組織生產以及更復雜的組織和實體器官的構建。

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

這篇文章報告了使用移動液體界面（氟化油）的聚合物組件的立體光刻三維打印方法，以減少界面和打印對象之間的粘合力，從而實現連續且快速的打印過程，而無需考慮聚合物前體。床體的面積不受熱限制的大小限制，因為流動的冷卻油可以在整個打印區域內進行直接降溫。已經證明，連續垂直打印速度超過每小時430毫米，體積吞吐量為每小時100升，并且已經能夠打印由硬塑料，陶瓷前體和彈性體制成的概念結構。

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

膠原蛋白是人體細胞外基質的主要成分。事實證明，制造能夠復制組織和器官的結構和功能的膠原蛋白支架具有很大的挑戰性。這項工作提出了一種使用懸浮水凝膠可逆包埋（FRESH）嵌入3D生物打印膠原蛋白的方法，以從毛細血管到整個器官的尺度上工程化制備人類心臟的各個組成部分。通過控制pH驅動的膠凝作用，可提供20微米的細絲分辨率，可實現快速細胞浸潤和微血管形成的多孔微結構，以及用于制造和灌注多尺度血管和三葉瓣膜的機械強度。研究者們發現FRESH 3D生物打印的心臟可準確地重現患者通過顯微計算機斷層掃描確定的特定解剖結構。打印有人心肌細胞的心室在收縮期高峰期顯示同步收縮，定向動作電位傳播。

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

三維（3D）打印或增材制造，作為未來先進制造的一項革命性技術，通常會在功能性應用程序中打印復雜梯度控制不佳的零件。這篇文章提出一種使用灰度光圖案和兩階段固化油墨的單槽灰度數字光處理（g-DLP）3D打印方法，以獲得功能梯度最高的具有三個數量級和高分辨率的機械梯度材料。為了演示g-DLP，研究者們直接制造具有受控屈曲和變形順序的復雜2D / 3D晶格，負泊松比超材料，具有剛度變化的術前模型，用于4D打印的復合材料以及防偽3D打印。

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

近幾十年來，水凝膠在細胞培養，組織工程，軟機器人和離子設備中的應用取得了長足發展。正在開發用于水凝膠結構的先進制造技術，以滿足用戶指定的要求。現有的水凝膠3D打印技術對水凝膠前體的物理和化學性質以及已打印的水凝膠結構施加了實質性限制。這項研究提出了一種利用電容器邊緣效應對分辨率為100μm的液體進行構圖的新穎方法。這項工作建立了一個完整的水凝膠3D打印系統，將圖案和堆疊過程結合在一起。該技術適用于多種水凝膠，克服了現有技術的局限性。印刷的水凝膠結構，包括水凝膠支架，對溫度敏感的水凝膠復合材料以及離子型高完整性水凝膠展示裝置。所提出的技術為使用多種成分和復雜幾何形狀的快速成型水凝膠裝置提供了巨大的機會。

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

未來致動系統發展將需要執行多個緊密耦合的功能，類似于它們的自然對應功能；例如，必須具有同時控制位移和高分辨率外觀的能力，才能模仿墨魚的偽裝。由于生成高尺寸設計和開發多功能材料及其相關的制造過程的綜合復雜性，因此創建集成的致動系統具有挑戰性。因此研究者們提供了一個完整的工具包，其中包括多目標拓撲優化（用于設計綜合）和多材料按需按需三維打印，以制造復雜的執行器（> 106設計尺寸）。致動器由軟質和硬質聚合物以及響應磁場的磁性納米顆粒/聚合物復合材料組成。拓撲優化器為單個體素（體積元素）分配材料，同時針對物理變形和高分辨率外觀進行優化。通過多材料制造過程統一基于拓撲優化的設計策略，可以創建復雜的執行器，并為實現自動化，目標驅動的設備提供了一條有潛力的途徑。

參考文獻

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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