3D/4D打印

《Chem & Bio Engineering》：3D/4D Printing

3D/4D打印技术通过定制复杂形状和动态功能材料，拓展了材料设计与工程应用，涵盖光固化技术、磷光材料、多孔金属催化剂、生物3D打印、颜色控制及形状记忆聚合物等领域，未来在智能材料与功能器件中潜力巨大。

　　

特刊

作为《化学与生物工程》（Chem & Bio Engineering）“3D/4D打印”特刊的一部分而出版。

3D打印技术能够制造出高度复杂且可定制的形状，这使得它成为材料加工领域中一种极具吸引力的技术。除了作为一种加工工具外，将新功能整合到3D打印材料中也成为了一个有趣的研究方向。此外，与3D打印密切相关的技术——4D打印最近也崭露头角，并受到了多学科研究社区的广泛关注。(1) 与传统的三维空间不同，4D打印引入了时间作为第四个维度。简单来说，3D打印产生的对象是静态的，而4D打印的对象则是动态的，可以随时间发生变化。因此，4D打印可以被视为3D打印与动态形状变形材料相结合的产物。4D打印带来的这种动态功能为工程应用开辟了新的可能性。本特刊将带您了解3D/4D打印领域的一些最新进展。

在各种3D打印技术中，基于光固化的3D打印（也称为槽式光聚合）因其快速打印速度和高打印分辨率而脱颖而出。在彭海燕（Haiyan Peng）团队的综述文章(2)中，重点介绍了该领域的最新突破，特别关注了光敏树脂、引发剂、抑制剂和光源等方面的设计。文章还讨论了打印效率、精度和可持续性的提升。作者在文章最后提出了对未来发展的展望，包括使用长波长光进行打印、打印功能性材料以及多材料打印等方向。

张彦峰（Yanfeng Zhang）团队报告了一个有趣的例子：他们使用3D打印技术制备了具有磷光特性的聚合物。(3)他们将一种有机磷光油墨注入含有自由羟基的聚合物网络中。在有机碱催化剂的作用下，该网络会发生热触发型的酯交换反应，从而增加材料的硬度。由于色素的热运动受到限制，这导致了磷光发射特性的变化。因此，通过精确控制酯交换反应，可以实现材料硬度的局部调节，这种现象可以通过磷光现象观察到，这使得该技术具有潜在的信息加密应用价值。

多孔金属结构在催化剂应用中得到广泛应用。然而，制备出具有可调控孔隙结构的多孔材料仍然是一个具有挑战性的课题。邢瑞哲（Ruizhe Xing）、黄仁良（Renliang Huang）和迪基（Michael Dickey）团队的合作研究为此提供了有希望的解决方案(4)。他们使用铁颗粒和铜颗粒以及甲基纤维素作为有机粘合剂，通过3D打印后进行热处理，制备出了多孔金属合金，并在其表面涂覆了金属有机框架催化剂。研究表明，通过3D打印技术对催化剂的多孔结构进行工程化设计能够显著提升其催化性能。

3D生物打印技术的发展势头日益强劲，大多数研究都集中在用于医疗应用的3D生物材料上。另一个较少被关注但同样引人注目的方向是3D打印含有微生物和聚合物的活体材料。吴北恒（Beiheng Wu）和刘俊秋（Junqiu Liu）团队撰写的一篇综述文章(5)总结了基于微生物的活体材料3D打印技术的最新进展，重点讨论了打印技术、微生物种类以及生物墨水类型，并探讨了这种技术如何为能源和环境问题提供解决方案。

颜色是产品的重要属性。虽然3D打印可以制造出几乎任意形状的物体，但在几何结构复杂的表面上实现彩色图案打印却颇具挑战性，尤其是在需要考虑打印效率的情况下。针对这一难题，谢涛（Tao Xie）团队提出了一种双波长4D彩色打印方法(6)。他们设计的树脂配方使得长波长光（405纳米）能够实现4D光固化打印，随后短波长光（365纳米）的照射会激活酸敏染料从而形成彩色图案。这种化学体系的正交性使得颜色和几何形状可以独立控制。作者通过调节短波长光的照射剂量实现了不同颜色的灰度打印。不过，使用这种方法在同一打印物体上实现多种不同颜色的打印目前仍具有挑战性，这值得未来进一步探索。

软执行器和机器人的功能与设备的几何形状以及材料的刺激响应变形特性密切相关，因此4D打印技术尤为重要。吴子亮（Zi Liang Wu）团队回顾了该领域的最新进展(7)，涵盖了包括水凝胶、形状记忆聚合物、液晶弹性体及其复合材料在内的多种形状变形材料的4D打印技术。他们讨论了这些材料的驱动性能、与设备运动的关系以及典型应用，并对比了各类材料的优缺点，同时展望了该领域的未来发展方向。

液晶弹性体是一类典型的刺激响应型变形材料(8?11)。4D打印为这类材料提供了灵活的制备平台，可以通过调整材料配方和打印条件来定制其驱动模式。卢西莉（Xili Lu）、胡建胜（Jianshe Hu）和夏和生（Hesheng Xia）团队总结了该领域的最新研究进展(12)，系统回顾了各种4D打印方法及其对液晶弹性体合成和驱动性能的影响。文章最后指出了该领域的机遇与挑战。

形状记忆聚合物是一类独特的变形材料，它们可以被编程在任意临时形状与永久形状之间转换(13,14)。由于紫外光固化技术与3D打印高度兼容，紫外光固化型形状记忆聚合物成为4D打印的理想候选材料。然而，这些材料在外加负载作用下的形状恢复机制尚未完全明了。袁超（Chao Yuan）团队开发了分析模型，可以预测受限条件下的形状恢复性能(15)，这些理论模型有望指导未来4D打印形状记忆结构的设计。

总体而言，3D/4D打印是一个快速发展的领域，在材料设计、设备功能和工程应用方面具有巨大潜力。需要注意的是，本特刊中发表的论文远不能完全反映该领域过去十年的发展全貌。不过，这些案例展示了该领域的多样性，并为未来的发展提供了方向性启示。