光基3D打印聚合物材料的化学进展及其在医疗与可持续制造中的应用

这篇综述系统阐述了光基3D打印（Vat Photopolymerization）技术的最新进展，重点探讨了光催化（photocatalysis）和光化学转化在新型树脂开发中的关键作用。文章涵盖自由基聚合（radical polymerization）、阳离子聚合（cationic polymerization）和硫醇-烯点击化学（thiol-ene chemistry）等反应机制，并分析了其在医疗（如组织工程支架）、可持续制造（如生物基树脂）和4D打印（如形状记忆材料）领域的应用潜力。通过整合多学科技术，为未来功能性材料的精准设计提供了理论框架。

　　

光基3D打印的化学工具箱

光基3D打印通过光固化液态树脂构建聚合物网络，其核心在于链增长（chain-growth）和逐步增长（step-growth）两种聚合机制。传统丙烯酸酯自由基聚合虽成本低且反应快速，但存在收缩率高和网络不均一的缺陷。近年来，可控自由基聚合（如photoATRP和photoRAFT）通过休眠链端再活化实现了材料后修饰，而阳离子开环聚合（如环氧树脂固化）显著降低了材料收缩率。硫醇-烯/炔点击化学则凭借其均质网络结构和动态键特性，在可重构材料（如共价适应网络）和化学回收领域崭露头角。

可持续制造与生物基材料创新

植物油（如大豆油和葵花籽油）通过丙烯酸化改性成为低粘度树脂，突破了生物基材料高粘度的限制。牛血清白蛋白（BSA）因其球状结构避免了自组装导致的粘度问题，被用于打印机械功能性生物塑料（如血管支架）。闭环回收领域，二硫键介导的环状单体开环聚合实现了热固性材料的完全解聚再生，为可持续3D打印树立了新标杆。工程活性材料（ELM）将工程化微生物（如大肠杆菌）封装于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基质中，赋予材料动态生物功能（如稀土金属吸附）。

医疗应用的精准突破

在医疗领域，光基3D打印的高分辨率特性助力了患者特异性模型的制造。例如，自修复弹性体肝脏模型可模拟手术切割训练，而双螺旋微游泳器（尺寸6×20 μm）通过磁场操控实现酶响应药物释放。牙科中，数字化光处理（DLP）技术个性化定制听力辅助设备，而体积增材制造（VAM）秒级成型细胞负载水凝胶（如甲基丙烯酰胺明胶），解决了传统生物打印的细胞沉降难题。

4D打印的智能响应

刺激响应材料拓展了4D打印的维度：光热金纳米棒（AuNRs）复合物在近红外光下触发形状恢复；溶剂响应双层水凝胶通过溶胀梯度驱动变形；而磁响应FeNi纳米颗粒复合材料实现了软体执行器的快速形变。电响应碳纳米管（CNTs）则通过焦耳热诱导聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基形状记忆聚合物（SMP）的远程编程。

未来展望

光基3D打印的化学多样性将持续推动材料性能边界，而多材料正交打印（如可见光/紫外光双重固化）和新型光催化剂（如红移光碱发生器）的开发，将进一步赋能医疗定制化、绿色制造和智能器件领域的创新突破。