综述：面向光催化与非催化应用的3D打印TiO2基结构研究进展

《RSC Advances》：Insights into 3D-printed TiO2-based architectures for photocatalytic and non-catalytic applications

　　

3D打印从根本上改变了光催化材料的设计与工程范式，能够实现几何形状复杂、具有多级结构的TiO2的可控制备，从而克服传统方法的显著局限性。本综述系统阐述了TiO23D打印的研究进展，重点关注制备工艺、光催化活性、性能优化策略及其他非催化功能应用。内容涵盖了3D打印TiO2结构的优势，包括复杂几何构型的实现以及材料性能的优化与提升，同时客观分析了可扩展性与运行稳定性方面的持续挑战。研究人员评估了近期进展，包括引入二次掺杂剂、构建协同复合体系及表面改性策略对提升光催化效率的作用。除光催化外，还探讨了其在光学传感器、热机械复合材料及牙科-骨科生物材料等多功能领域的应用，凸显了TiO2在不同技术领域的广泛适用性。增材制造的独特能力促进了具有定制几何形状和成分复杂性的TiO2的理性设计，使其成为实验室机理研究和实际环境修复应用的理想平台。

1. 1.
   引言
   工业化进程加速与城市化快速推进导致环境严重退化，主要源于水体和大气系统中复杂污染物的累积。重金属、氮硫化合物及持久性有机污染物等复杂污染物的大量排放，严重威胁生态系统稳定性并对人类健康构成重大风险。开发能够矿化或截留此类污染物的高效、可持续且经济可行的污染修复技术，是当前环境工程领域的迫切需求。在各种修复方法中，光催化因具备高效与可持续性而备受关注，其中TiO₂是研究最深入且最具实用潜力的光催化剂之一。TiO₂对紫外-可见光响应优异，具备强电荷载流子-光子相互作用、高化学与热稳定性、亲水性、无毒及成本低廉等特点，是环境修复领域极具吸引力的优选材料。作为一种半导体，TiO₂在紫外光照射下可产生羟基自由基（·OH^?）、超氧自由基（·O₂^?）等活性氧物种（ROS）及电子-空穴对，驱动光催化降解反应。除经典的光催化特性外，TiO₂还被广泛应用于非催化功能场景，其光学特性、化学惰性和机械强度使其适用于光子器件、能量转换系统、生物医学植入物及结构材料，这些应用充分挖掘了TiO₂超越催化的多功能性，提升了其在多元技术领域的价值。

在实际应用中，粉末态TiO₂面临结构完整性维持难、回收复用性差及纳米颗粒浸出导致交叉污染等问题。传统浸涂、喷涂等方法常存在光催化速率低、薄膜因附着力弱而破损、厚度不均及纳米颗粒浸出严重等缺陷，不仅损害催化剂的长期效率与耐久性，还造成安全回收与循环利用困难，增加环境污染风险并削弱工艺可靠性。为应对这些挑战，3D打印技术提供了创新解决方案，能够制备适配特定环境的复杂几何结构，从而改善结构性能、功能表现及回收复用特性。立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、直写成型（DIW）、熔融沉积建模（FDM）、熔融丝制造（FFF）及选择性激光熔化/烧结（SLM/SLS）涂层等技术，革新了TiO₂结构的制备方式，实现了高精度定制化复杂结构的成型。这些技术可将TiO₂整合入聚合物复合基体，开发具有增强光催化活性的多级结构材料。其可控的逐层沉积特性支持梯度与空间变化成分的构建，从而获得兼具优异光催化性能与增强机械性能的多功能材料。此外，3D打印固有的灵活性减少了材料浪费，提升了设计自由度，加速了原型开发与落地进程，因此被视为制备先进光催化反应器的可行多功能平台，也被认为是构建集成式光催化反应器设计的有效途径。统计数据显示，3D打印TiO₂结构的研究始于2014至2015年，近年在快速发展，约三分之二的相关研究聚焦于光催化应用。通过精准调控几何形状与材料成分，3D打印显著提升了TiO₂的光催化效率，并拓展了其在其他领域的应用潜力，相关研究主要集中在光催化废水处理、抗菌与自清洁表面、空气净化、制氢及其他光催化与非光催化功能方向。本综述区别于此前仅局限于有机污染物降解的同类综述，全面阐述了3D打印TiO₂作为多功能平台的特性，涵盖废水处理、抗菌表面、制氢、空气净化、固氮、光学/光子学、建筑、热机械及生物医学等应用，详细讨论了各类3D打印方法的原理、性能表现，各应用领域机制，并进行了前瞻性总结。

1. 2.
   3D打印TiO₂的方法
   3D打印常用于制备面向光催化及其他功能应用的膜、整体柱、支架和过滤器。根据工艺原理，TiO₂的3D打印技术主要分为四类：DLP/SLA、DIW、FDM/FFF及SLM/SLS。槽式光聚合（DLP/SLA）依赖空间分辨固化含TiO₂的光敏树脂，通过扫描激光（SLA）或投影数字光图案（DLP）固化每层结构，因其具备亚十微米级分辨率、高尺寸精度及制备高比表面积薄壁晶格结构的能力，成为TiO₂3D打印的主流选择，适用于光催化反应器及其他功能部件，也可便捷地在基底上制备各类TiO₂基薄膜。材料挤出成型涵盖DIW与FDM/FFF，二者供料与固化原理存在差异。DIW是一种挤出式3D打印方法，通过压力将高粘度浆料从喷嘴挤出并逐层沉积成型，特别适合TiO₂浆料等陶瓷或纳米颗粒富集体系，可在保证高固含量的同时保持可打印性，其形状维持依赖浆料流变学特性及沉积后的快速凝胶化或溶剂挥发，适用于制备具有多级孔隙的开放式木堆、蜂窝及泡沫状TiO₂整体柱。有研究先通过DIW打印钛木堆结构，再经阳极氧化在其表面制备TiO₂纳米管。FDM/FFF是基于热塑性线材的挤出工艺，线材加热后通过喷嘴挤出并逐层沉积，将TiO₂引入线材后，可实现低成本桌面级TiO₂结构与支架的制备，二者原理一致，仅术语使用有别（FDM多用于工业级，FFF多用于桌面级）。受限于喷嘴打印特性与较低层分辨率，DIW和FDM/FFF通常仅用于制备整体式木堆支架。

由于直接打印复杂结构难度大、粉末处理繁琐且需氮气环境、成本高及能耗大等原因，SLM/SLS直接3D打印TiO₂并未广泛应用，多采用粉末床激光烧结或部分熔化成型。多数情况下，先通过SLM/SLS制备复杂三维金属支架，再通过阳极氧化涂层形成 conformal TiO₂纳米管层，从而结合粉末床熔融的几何自由度和TiO₂的表面活性。在3D结构上形成均匀均质TiO₂涂层的过程中，电解液选择、热处理时间与温度等参数至关重要。此外，喷墨打印（IJP）与液体沉积建模等方法也被用于制备面向光催化与太阳能电池应用的简单TiO₂薄膜结构。

多数3D打印工艺需添加大量有机物，如DLP/SLA中的光敏树脂、光引发剂，FDM/FFF中的PLA/ABS与粘结剂，DIW与IJP中的有机溶剂与粘结剂。因此，打印后结构需经过脱脂、煅烧和/或热解/烧结等后处理，以去除大部分有机物。需采用分步控温热处理，在避免结构收缩或损坏的前提下最大限度去除有机物，通过调控热处理的时间、温度与环境条件，可在不引起陶瓷开裂、力学失稳、相变或结构坍塌的情况下实现聚合物降解。各类3D打印方法的优劣势对比如下：DLP/SLA具备高尺寸精度与复杂精细结构成型能力、高打印分辨率（亚十微米级）与较快打印速度、可制备高比表面积复杂薄壁结构，但需额外后处理（固化、热处理）；DIW适合高TiO₂负载量、打印简便且成本较低，但仅适用于有限种类的整体支架结构，横向分辨率有限且对浆料流变学要求严苛；FFF/FDM成本低且普及度高，可制备稳定坚固的TiO₂结构，适用于实验室与工业级打印，但层分辨率极低、TiO₂含量低，仅限简单支架设计且聚合物占比高；SLM/SLS可获得自支撑金属支架、力学性能极强，但设备与能耗成本高昂，原料浪费大且粉末处理复杂。相较而言，DLP/SLA在制备高精度、复杂定制化TiO₂部件方面综合表现最优。此外，通过在结构中浸渍或分散金属、氧化物等二次掺杂剂，可进一步提升光催化或其他功能活性。

1. 3.
   光催化性能与机制考量
   多项研究表明，3D打印TiO₂结构对多种应用表现出优异的光催化活性。3D打印赋予的结构定制能力可用于设计高效光催化反应器与器件，通过调整流动动力学与提升活性表面积，显著提高光催化过程整体效率。打印后TiO₂在结构表面的分布是实现高效光催化反应的关键因素。常见的对齐与错位木堆型3D打印结构，在宏观尺度上可使光穿透率较块体结构提升4倍，充分体现了3D TiO₂结构的优异光催化性能。

光催化应用中TiO₂主要以锐钛矿与金红石两相存在，Degussa P25-TiO₂（约75%锐钛矿、25%金红石）因光催化效率高，成为3D打印结构的首选原料。如前所述，热处理对3D打印结构至关重要，主要用于脱脂与挥发聚合物组分，同时避免TiO₂相变。例如，随着热处理温度升高，3D打印TiO₂结构体积发生压缩，且在高温退火后孔隙率增加。对于P25 TiO₂，采用180°C 30分钟、250°C 30分钟、350°C 30分钟的阶梯热处理方案，不会改变活性锐钛矿/金红石比例。除结构后处理外，在TiO₂打印体系中引入导电元素（如金属、石墨烯、氧化物或聚苯胺）可进一步提升光催化或其他功能性能，在光催化中，这些添加物可作为助催化剂或形成异质结，提升电荷载流子迁移率并抑制复合。后续章节将详细阐述3D打印结构设计、材料优化及相关光催化性能与其他应用表现。

3.1 废水处理

废水处理与过滤系统面临的核心挑战包括催化剂固定化难度高、催化过滤成本高及处理后的水体存在交叉污染风险。同时，高效光催化降解污染物需要催化剂具备大比表面积与亲水性，3D打印TiO₂可平衡高比表面积、亲水性、稳定固定化与防交叉污染的需求。此外，3D打印TiO₂结构在光催化过程中表现出优异的可重复使用性与可回收性，且不损失降解效率。简单的3D打印TiO₂基晶格结构可实现安全、稳固、便携、自支撑、高效且高比表面积的水消毒，无需昂贵复杂的催化过滤装置。已有研究原型设计了正弦波形TiO₂基光催化流式反应器用于废水净化。对比数据显示，与传统粉末及薄膜材料相比，3D打印TiO₂结构显著提升了光催化降解性能。亚甲基蓝（MB）是评估3D打印TiO₂结构降解有机污染物的常用模型污染物，在最优结构下，多种有机染料的降解率可达90%以上。降解速率与效率受3D打印方法、TiO₂负载浓度及添加剂与掺杂剂引入情况的显著影响。多种优化策略被用于提升降解性能，例如由TiO₂/Fe₂O₃异质结构成的新型多级3D中空微结构，可通过太阳能驱动的类芬顿反应降解MB与对乙酰氨基酚；在3D Ti–1% Nb网状结构上阳极氧化制备的TiO₂纳米管，因Nb缺陷引入导致的带隙降低及电子-空穴复合最小化，表现出最高的乙醛光催化活性；在由TiO₂构成的3D结构化复合抛物面反应器中添加碳纳米管（CNTs），可提升阿莫西林污染物的光催化与光裂解效率。总体而言，在TiO₂3D打印中引入二次元素/化合物，并优化高比表面积与增强对流传质的结构，可有效提升废水光催化处理效果。

除有机污染物光催化降解外，3D打印TiO₂结构还被用于其他废水处理场景。例如，采用DLP打印制备的含TiO₂与PEC-COOH活性层的纳滤膜，可同时提升亲水性与渗透通量，并实现98.76%的盐截留率，表现出强耐氯性与高海水淡化能力。在海上石油运输中，频繁的泄漏事故会严重危害海洋生态并造成严重水污染，而由优化比例的TiO₂与ABS构成的3D打印复合膜，可通过增强亲水性与疏油性高效实现油水分离。

3.2 抗菌与自清洁表面

TiO₂在紫外光照射下通过产生活性氧（ROS），诱导DNA断裂氧化反应并破坏细胞膜，从而实现高效的微生物杀灭效果。例如，FDM 3D打印TiO₂对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌率达99.99%，对大肠杆菌（E. coli）的降解率达99.99%；SLS 3D打印结构经TiO₂涂层处理后，对S. aureus与E. coli的降解率分别达90.11%与90.60%。3D打印TiO₂颗粒对S. aureus与E. coli表现出显著的抑制圈，且抑制圈直径随TiO₂浓度增加而增大。另有研究将TiO₂引入壳聚糖或海藻酸盐基大孔3D打印水凝胶中，可抑制S. aureus与铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）。在3D打印钛结构阳极氧化表面分散金（Au）纳米颗粒，可提升对S. aureus的抗菌活性。实际应用中，3D打印并表面涂覆TiO₂的水处理器槽可有效降解E. coli；3D打印TiO₂与桑葚花青素基抑菌显色结构可抑制S. aureus与E. coli，延长荔枝果实的货架期与新鲜度。此外，人冠状病毒229E与猫杯状病毒在暴露于3D打印TiO₂结构表面4小时后，抑制率分别达70%与60%。

3D打印技术可通过优化层厚、在打印部件中引入疏水与光催化填料，制备所需的粗糙表面，从而增强几何结构的自清洁能力。例如，通过在聚氨酯基体中引入TiO₂与SiO₂填料，3D打印制备的自清洁表面表现出更优的疏水性与粗糙度，同时提升了MB降解性能。在水泥中添加TiO₂可赋予其自清洁特性（表面暴露于罗丹明B染料后发生颜色变化），且性能随时间推移不断增强，使3D打印TiO₂结构能够有效提升系统与表面的洁净度与安全性。

3.3 制氢

TiO₂是公认的水分解及甲烷/乙烷还原制氢（H₂）光催化剂。与传统粉末相比，3D打印TiO₂整体柱因具有更高比表面积、多级微纳孔道及优化的尺寸/形状，增强了入射光与催化剂的相互作用，从而表现出更高的产氢量。例如，经设计优化的多级3D打印TiO₂纳米多孔气凝胶（采用面心立方晶格支架），可实现高效光透射与光捕获，产氢速率约为TiO₂粉末的5倍，分散金纳米颗粒后可进一步提升该性能。研究人员探索了多种设计与工程策略以提升3D TiO₂结构的产氢速率，例如通过DLP打印设计3D聚合物支架，再将TiO₂/Pd气凝胶引入其中；通过结构优化设计，成功实现产氢速率提升200%，这得益于优化结构中紫外光穿透率提升与反应气体流速加快。

将金纳米颗粒预浸渍或后浸渍到TiO₂3D打印整体柱中，可提升水-乙醇混合体系的产氢性能，其中后浸渍并煅烧处理的整体柱效果更佳。将TiO₂与金属有机框架结合，再在打印结构表面涂覆Pt/PtO_x物种，可提供额外的助催化活性位点，显著增强光催化产氢反应。设计3D打印金属基锥形光电极阵列并经阳极氧化形成TiO₂纳米管，可通过光电化学水分解大幅提升产氢量。3D打印TiO₂用于产氢的循环复用性优异，5次循环后产氢速率仅下降0.5%。此外，PLA 3D打印TiO₂/Au涂层微反应器在两天内表现出稳定的光催化产氢能力，在水-乙醇气相混合物中维持稳定的氢气光生产速率。由TiO₂纳米管阵列与Pt纳米颗粒构成的宏微观多孔3D打印结构，凭借独特的多孔结构、高活性表面积、强电子金属-载体相互作用及高效载流子传输，表现出优异的产氢反应性能与长期稳定性。对比各类已报道的产氢电催化剂的过电位（η，低η对应高产氢量），该3D打印TiO₂结构性能优于大多数先进的铂基催化剂。

3.4 空气净化

TiO₂还可利用其光催化能力还原CO₂及其他有毒气体（如NO、NO₂、O₃、液化石油气（LPG）与CH₃CHO）。针对CO₂还原，研究人员通过直写成型制备了含TiO₂的人工叶片结构，通过光还原实现人工光合作用，提升CO与CH₄的生成量。另一种TiO₂与MoSe₂构成的异质结，在3D打印结构填充率最优时，通过增强可见光吸收、延缓电子-空穴对复合及促进光生电子转移，实现约82%的CO选择性。设计制备的由PLA与TiO₂复合材料构成的3D打印正弦波空气净化光催化反应器，可有效去除空气中99%的O₃，并部分去除NO、NO₂与CH₃CHO污染物。为探究TiO₂形貌对NO_x（NO与NO₂）气态污染物去除效果的影响，研究发现3D打印UV100-TiO₂的降解效率高于P25-TiO₂，但其选择性较差。

3.5 其他光催化应用

3D打印TiO₂结构还被用于固氮（N₂光固定）、光电化学传感及电池光阳极等其他催化应用。设计的宏微观多级3D打印TiO₂支架具有高表面吸附与活化能力，可促进N₂光固定（将氮气转化为氨或其他有益化合物）。新型设计的3D打印多级等离子体异质结构，由垂直TiO₂柱阵列（树干）、致密纳米棒阵列（树枝）与等离子体Au纳米颗粒（树叶）构成，因结构驱动的高活性光催化位点、多重光散射及增强的等离子体光吸收，其N₂光固定活性是薄膜的15倍。具有纳米空腔的3D打印TiO₂多级纳米线阵列，具备更大比表面积、更多活性位点及更短的分子表面吸附与反应扩散长度，从而缩短响应时间并提升灵敏度，其光电化学传感性能优于商用P25-TiO₂传感器。研究人员还开发了3D打印TiO₂/石墨烯/聚苯胺（PANI）基分子印迹微晶格光电化学传感器，其设计具有多孔互联宏通道，可使入射光快速进入传感器内部，实现高光吸收与高效的分析物扩散/捕获，该传感器在尿素超灵敏监测中表现出快速响应、低检测限、宽线性范围、优异选择性与稳定运行特性。由富氧空位、多级多孔金红石TiO₂/还原氧化石墨烯（rGO）/碳纳米管（CNT）构成的3D打印光电阴极，因具备高效光催化位点与快速电子/离子传输路径，可实现高放电电流密度与稳定的长循环寿命，适用于电池领域。

1. 4.
   其他功能应用
   除催化应用外，3D打印TiO₂结构还在光学、光子学、电学、建筑、热学、力学及生物医学等其他功能领域得到探索。亚微米级木堆型3D打印TiO₂网格可用于具有高折射率与高透明度的光学-光子传感器。对3D打印物体进行TiO₂表面处理，可改善光学轮廓仪对透明表面的测量效果，这种定制TiO₂处理相比气溶胶与微乳液等商业处理更具成本效益，且可能减少浪费并支持定制化。3D打印结构中的锐钛矿TiO₂因电子迁移缓慢表现出持久光致发光特性，可用于下一代仿体光致发光成像。3D打印光学全野球（Ganzfeld bowl）经TiO₂涂层处理后作为积分球原型，可均等反射所有波长，辐射均匀性达90%，性能媲美昂贵的BaSO₄专用涂层。已有研究构建并验证了具有介电光子晶体特性的3D打印TiO₂结构。作为染料敏化太阳能电池电极的3D打印TiO₂薄膜，在6.25μm厚度下方块电阻低至6.8×10⁶Ω·square^?1，能量转换效率约4%。模拟结果显示，3D打印螺旋二十四面体（Gyroid）电极内部的Li⁺离子浓度高于块体，实验也证实3D打印TiO₂电极在钠离子与锂离子电池中均表现出比容量优势。3D打印TiO₂整体式陶瓷滤波器表现出优异的介电性能与微波频段高效滤波能力。此外，3D打印TiO₂树脂在低TiO₂添加量下即表现出强伽马射线衰减能力，具备优异电磁屏蔽性能。结合石蕊指示剂功能的3D打印薄膜可作为pH传感器，表现出优异的稳定性与可逆性。其他非催化功能应用将在后续章节详述。

4.1 建筑应用

将TiO₂引入3D打印建筑材料，可赋予其长效光催化能力，实现自清洁表面与空气净化，降低维护成本。TiO₂在提升3D打印胶凝结构的质量、稳定性与使用寿命方面发挥关键作用。在TiO₂分散的胶凝复合材料中，增加的TiO₂含量有助于缩短建造时间，并显著提升打印层数，优于原始胶凝材料。TiO₂还可改善水化、密实度、抗压强度与增稠性能，减少3D打印水泥的垂流与流动直径，使其更致密、更强固且更易建造。此外，TiO₂颗粒在水泥基材料中发挥有益的填充与成核作用，可填充3D打印试件的孔隙并提升密实度，同时为水化提供额外成核位点，在相同环境条件下提升试件抗压强度。在3D打印水泥结构表面涂覆TiO₂，可有效降解罗丹明B，为建筑行业光催化涂层用于空气净化与自清洁开辟了道路。

4.2 热学与力学应用

将TiO₂引入3D打印结构聚合物，可提升结晶度、热稳定性（分解温度与玻璃化转变温度）、流动性与丝材可挤出性，并调控表面纹理（粗糙度或光滑度取决于基体）。3D打印聚合物的玻璃化转变温度随TiO₂浓度增加而升高。在3D打印Al₂O₃中添加TiO₂，可促进陶瓷晶粒生长并形成次生Al₂TiO₅，从而提升体积密度、烧结动力学、残余抗弯强度与抗热震性。类似地，在3D打印TiO₂中添加适量MgO，可促进陶瓷晶粒生长并形成次生MgTi₂O₅，从而提升体积密度与抗弯强度，并降低烧结温度。3D打印TiO₂结构的力学稳定性与抗侵蚀性也得到改善。在3D打印聚乳酸（PLA）结构中添加TiO₂，可显著提升拉伸强度与断裂伸长率。3D打印聚合物结构的拉伸强度、弹性模量、抗弯强度、韧性与显微硬度等多种力学性能，均随TiO₂的引入而显著改善。在3D打印TiO₂中添加Zn可促进泡沫状结构形成，其压缩强度与弹性模量与常规工艺制备的陶瓷泡沫相当。总体而言，TiO₂基3D打印复合结构可增强热学与力学稳定性，适用于承重结构应用。

4.3 生物医学应用

TiO₂作为一种生物陶瓷氧化物，具备优异的生物活性与生物相容性，因此其3D打印结构在骨科支架与牙科固定领域受到关注，3D打印可满足设计复杂性、任意成型、快速生产与尺寸精度的要求。3D打印TiO₂复合结构表现出改善的生物活性、增强的细胞增殖与细胞外基质矿化能力，并促进成骨分化，其优化的力学性能可支持骨固定与再生骨支架等生物医学应用。宏微观多孔3D打印TiO₂支架在兔骨髓间充质干细胞中表现出强增殖与成骨分化特性，且效果随时间推移增强。与3D钛及TiO₂支架相比，分散Ag的3D TiO₂骨支架孔隙中存在大量均匀分布的新生骨组织，且其骨钙素、I型胶原与碱性磷酸酶相关基因与蛋白表达更高，与周围组织生物相容性更好。此外，富含TiO₂的3D打印硅酸钙支架保持了适宜的孔隙率，表现出增强的抗压强度、更慢的降解速率，以及在骨再生中显著提升的成骨诱导与血管生成活性；颅骨缺损模型实验表明，该支架可显著加速血管新生与骨再生，充分证实其在骨缺损治疗中的广阔应用潜力。通过3D打印制备的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）–TiO₂复合支架表现出良好的力学与生物学性能，支持细胞活力、成骨细胞培养、钙分泌增加与碱性磷酸酶（ALP）活性提升，这些都是骨组织再生所必需的。

牙科与骨相关结构均需高机械强度，可通过提高3D打印生物部件的TiO₂浓度来增强。将PLA与TiO₂复合可显著提升3D打印生物部件的力学、耐磨与摩擦性能，非常适用于再生性骨关节应用。其他研究也表明，3D打印TiO₂复合材料具有良好的体外生物活性与生物相容性，包括细胞增殖、活力与黏附，因其具有类似松质骨的特性，在骨替代治疗与牙科种植体领域颇具吸引力。3D打印增强PMMA/TiO₂/聚醚醚酮（PEEK）复合材料因具备优异的力学性能、良好抗菌活性与低细胞毒性，在现实牙科修复中具有巨大应用前景。受牙齿釉质有机-无机生物结构的启发，研究人员通过微尺度增材制造合成了TiO₂柱状纳米棒框架，所得设计类似釉质结构，具备相当的硬度、超高杨氏模量与优异粘弹性性能。将TiO₂纳米颗粒引入3D打印义齿基托树脂，可显著提升弯曲强度/模量、冲击强度、维氏硬度、双键转化率（DC）与溶解度，但对唾液吸附与马氏硬度影响甚微。在3D打印牙科树脂修复体中添加TiO₂纳米颗粒，有望提升长期临时种植支持修复体的使用寿命。此外，含TiO₂的3D打印纳米复合义齿基托树脂表面粗糙度与颜色变化增加，但硬度未改变，且该影响具有树脂依赖性，因此在制备纳米复合材料时需选择合适的树脂原料。

综合来看，与传统粉末分散及薄膜相比，3D打印TiO₂在光穿透效率、污染物降解动力学、产氢能力、结构完整性、回收复用性等关键指标上均持续表现更优。传统粉末因团聚与分散问题导致光穿透极低，而3D打印通过定制化反应器几何设计显著增强光穿透；传统粉末因堆积、重力沉降与低表面积暴露导致降解速率中等，而3D打印通过多种设计优化实现快速反应动力学，例如DIW木堆结构可在1.25小时内完全降解亚甲基蓝，4小时内降解99.5%的三氯生；传统TiO₂产氢量显著更低且易失活，而3D打印结构产氢量高于TiO₂粉末且多周期性能稳定，面心立方晶格气凝胶表现出近倍增效应，其结构可实现高效光捕获与气相传输；传统浸涂与喷涂方法易导致薄膜不均匀、易分层，存在颗粒浸出造成的冲刷或交叉污染，而3D打印整体柱可实现零纳米颗粒浸出，无污染风险，可跨应用复用，自支撑晶格结构实现催化剂固定化；传统TiO₂加工制品力学性能贡献有限，而3D打印通过将TiO₂引入聚合物基体，可显著提升拉伸强度、弹性模量与抗弯回弹性，提高玻璃化转变温度，扩展其在结构部件中的应用。

1. 5.
   总结与展望
   3D打印技术与TiO₂的结合是光催化及各类多功能应用领域的重要突破。该技术具备诸多独特优势，包括可制备复杂精确几何结构、可调集成材料性能、易回收复用等，使其成为环境修复与生态应用的理想选择。本综述全面概述了TiO₂3D打印研究与制备工艺，凸显了其在快速增长的环境修复与其他先进功能应用领域的创新潜力。现有文献表明，3D打印TiO₂结构在废水处理、空气净化、抗菌自清洁表面、制氢等光催化应用中具备明确的实际应用前景，这主要归因于3D打印可将催化剂稳固固定于晶格结构中，并在实际运行条件下实现工程化的流动与光管理。3D打印TiO₂结构在固氮、建筑、热学、力学、生物医学等其他催化与非催化应用中也展现出潜力，其同时提供力学与热学功能，如提升拉伸强度、抗弯回弹性与更高玻璃化转变温度，使其能够兼顾光催化活性表面与稳定结构组分的双重角色。

在光催化发展方面，未来研究应聚焦于开发TiO₂基新型复合光催化材料，优化相关3D打印工艺，以提升性能、稳定性与耐久性，推动实际大规模应用。此外，构建基于3D打印TiO₂的混合光催化复合体系，有望进一步提升光催化效率，该方向研究需求迫切。在经济层面，这类系统受益于低成本原料与DLP、DIW、FDM等可扩展增材制造技术，但目前仍面临光聚合物树脂成本高、后处理热处理繁琐、打印速度相对较慢等挑战，限制了其仅能应用于试点规模而非全面商业化部署。3D打印技术的长期耐久性显著优于粉末与薄膜体系，其结构抗分层能力强，重复循环后仍能保持光催化活性，并可有效减少纳米颗粒浸出。未来研究需重点通过更智能的几何设计、掺杂复合体系与表面改性，解决污染与稳定性缺口，从而将3D打印TiO₂转化为可靠的基础设施技术。尽管3D打印TiO₂结构已取得令人鼓舞的进展，但仍需大量深入研究，以解决可扩展性、技术经济可行性、长期耐久性、运行稳定性及商业化前景等实际参数问题。

作者贡献

V. C. S. Theja与V. Karthikeyan负责撰写初稿；Y. Guo与C. S. Yeung负责文献调研与数据整理；S. Choudhary、V. Kannan与D. S. Assi负责文稿审阅与编辑；G. Saianand与G. A. Iyengar负责概念构思、编辑与资金获取；D.-E. Lee负责资金获取；V. A. L. Roy负责项目指导、行政管理与资金获取。

利益冲突

作者声明不存在已知的可能影响本研究结果的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文未生成或分析新数据，因此不适用数据共享。

你是否需要我将这些内容整理成标准论文格式的文档，或者根据你的需求调整总结的字数？