综述：分析化学中3D和4D打印技术的最新进展——聚焦样品预处理

这篇综述系统梳理了2020-2024年间3D/4D打印技术在分析化学样品预处理中的应用进展，重点探讨了材料挤出（FDM）、光聚合（SLA/DLP）等7类增材制造技术（ISO/ASTM 52900标准）在制备吸附材料、微流控芯片（Lab-on-a-chip）和辅助组件中的创新，为突破传统样品预处理效率瓶颈提供了新思路。

　　

引言

增材制造（3D打印）正彻底改变分析化学的样品预处理范式。面对复杂基质干扰和痕量检测的挑战，这项技术通过快速原型设计能力，为制备新型吸附剂、微流控器件和定制化组件提供了革命性解决方案。从19世纪照相雕塑的雏形到1980年代光固化（SLA）、粉末床熔融（PBF）等核心专利的诞生，3D打印已发展出七大技术分支，其中生物打印（3D bioprint）甚至能构建含活细胞的生物支架。

核心技术解析

根据ISO/ASTM 52900标准，当前主流技术包括：

• 材料挤出：以熔融沉积建模（FDM）为代表，使用聚乳酸（PLA）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等热塑性材料，后者虽耐180°C高温但存在挥发物风险

• 光聚合：含立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）和掩膜DLP（mSLA），采用丙烯酸酯-环氧树脂混合体系平衡固化速度与收缩率

• 粉末床熔融：如选择性激光烧结（SLS），适合金属/陶瓷复杂构件

• 材料喷射：可实现多材料高精度打印

4D打印更引入刺激响应特性，如温度触发的自组装结构，为动态样品预处理开辟新途径。

样品预处理创新应用

新型吸附材料与组件

3D打印石墨烯/聚合物复合材料显著提升固相萃取（SPE）柱的比表面积。某研究通过DLP技术制备的仿生多孔结构，对重金属铅（Pb²⁺）吸附容量达传统材料的3倍。分子印迹聚合物（MIPs）电极则实现了尿样中抗生素的选择性检测。

微流控系统革新

集成混合、萃取、检测功能的芯片可通过单次打印完成。例如，采用FDM制作的阶梯式微流控装置，将血浆分离效率提升至92%，且避免膜堵塞问题。mSLA打印的透明芯片更便于实时光学监测。

辅助设备优化

定制化固相萃取支架、色谱柱连接器等小批量配件，显著降低实验室耗材成本。某团队设计的3D打印光屏蔽组件，使荧光检测信噪比提高15dB。

挑战与展望

尽管3D打印在缩短预处理时间（某案例从6小时压缩至30分钟）和简化操作步骤方面表现突出，但生物相容性材料开发、批量生产稳定性仍是瓶颈。捷克团队在欧盟ATEBIO项目支持下，正探索4D打印智能吸附剂在POCT诊断中的应用。未来，结合人工智能的自动化设计平台或将进一步释放这项技术的潜力。