重磅汇总！2025上半年Science七篇3D打印前沿研究

导读：3D打印技术作为先进制造领域的重要创新手段，持续引领着材料科学、医学、能源等多个领域的变革。南极熊梳理了2025年上半年在顶级学术期刊《Science》上发表的与3D打印相关的重要研究成果，展示了这一技术在多个前沿领域的突破性应用。

1. 多连环构架材料：开创新型互锁结构材料



2025年1月，加州理工学院研究团队在《Science》上发表了关于"多连环构架材料"(PAMs)的研究，并登上了《Science》封面，研究题目为3D polycatenated architected materials（三维多链结构材料）。此材料由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D网状结构。研究者利用3D打印技术制造了不同类型的PAMs样本，精确控制粒子的形状、大小以及空间排列。PAMs拥有独特的机械特性，能够在不同的加载条件下展现出流体样的和固体样的双重行为

研究亮点：
●PAMs能够展示非牛顿流体行为，如剪切稀化和剪切增稠反应
●在大应变条件下表现出类似于晶格和泡沫的非线性应力-应变关系
●在微尺度上能响应静电荷改变形状

这类新材料为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性，展现了3D打印在创新材料设计中的重要作用。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

2. 3D打印高性能热电冷却材料
2025年2月，奥地利科学技术研究所(ISTA)的Maria Ibáñez教授团队通过采用基于挤出的3D打印技术，解决了热电制冷器制造的关键挑战。研究者开发出一种创新的3D打印工艺，成功制造高性能热电材料，并用于构建热电冷却器。研究题目为：Interfacial bonding enhancesthermoelectric cooling in 3D-printed materials



研究亮点：
●开发的3D打印工艺大大降低生产成本，同时保持与传统方法相当的性能
●特别设计的油墨配方确保晶粒之间形成牢固的原子键，提高了材料的热电性能
●打印材料在空气中表现出50度的净冷却效果，与高成本制造的材料性能相当

此项技术的应用前景广泛，包括电子设备热管理、可穿戴设备、医疗领域如烧伤治疗和肌肉拉伤缓解，以及能量收集系统。

原文链接：Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials | Science

3. 磁场调控激光增材制造匙孔稳定性研究
2025年2月，由伦敦大学机械工程学院材料主导的国际研究团队发表了关于"Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing 激光焊接与增材制造过程中匙孔不稳定性的磁调控"的研究。



研究发现特定磁场下匙孔稳定性极大提高，孔洞面积减少80%。在增材制造技术研究中，匙孔效应的形成机理与演化规律一直是制约工艺优化和质量控制的关键科学问题。2025年2月英美加中四个国家科研单位使用高速同步辐射X射线成像技术合作完成的“激光焊接与增材制造过程中匙孔不稳定性的磁调控”的文章发表在Science杂志上，由伦敦大学机械工程学院材料、结构与制造研究组(MSMaH)主导。伦敦大学学院(UCL)和哈韦尔研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范贤强)博士为第一作者。

研究亮点
●实验观察到特定磁场下匙孔稳定性极大提高，孔洞面积减少80%
●提出了新方法定量化匙孔震荡并给出了深入的机理解释

此项研究为解决3D打印金属零件中的气孔缺陷问题提供了新思路，对提高金属3D打印件的质量和可靠性具有重要意义。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554

4. 闭环可回收的光固化3D打印材料


2025年3月，浙江大学谢涛教授团队在《Science》上发表了关于闭环可回收光敏聚合物的突破性研究，题目为Circular 3D printing of high-performance photopolymers through dissociative network design。

塑料废弃物的闭环回收是解决全球塑料污染问题的关键策略之一。传统方法依赖将聚合物完全解聚为单体以重新合成塑料，但这一过程限制了分子设计的灵活性，难以兼顾高机械性能与可回收性。光固化3D打印作为主流制造技术，通常使用不可逆的碳-碳键交联网络，导致材料难以回收。近年来，动态共价键（如酯键、氨酯键）的引入虽能实现部分化学回收，但需要额外添加单体或试剂，导致回收效率低下（<100%）。此外，现有可回收光敏树脂（如硫辛酸体系）的机械性能调节范围有限，难以满足多样化应用需求。研究团队开发了一种基于动态解离光化学的创新策略，通过设计二硫缩醛键的动态解离网络，实现了光固化后聚合物的完全回收和循环利用。

研究亮点：
●首次实现了光固化3D打印材料100%的回收效率，无需添加新单体
●模块化网络设计使材料性能高度可调，模量跨度达140 MPa，断裂伸长率超1200%
●循环3D打印技术显著降低树脂消耗与废弃物排放，在牙科模具、金属铸造等领域展现环保与经济双重优势。

这一成果为解决塑料污染问题提供了新思路，打破了高性能与高回收率之间的传统矛盾。
原文链接：https://www.science.org/toc/science/388/6743

5. 图像引导的深部组织体内声音打印技术
2025年5月，来自 美国加州理工学院和加州大学洛杉矶分校一个跨学科研究团队开发出"图像引导的深部组织体内声音打印技术（DISP）"，实现了在活体内部深层位置精准构建功能性生物结构的突破。


△图像引导的深部组织体内声音打印(DISP)。(A) DISP平台示意图。DISP系统使用由非交联预聚合物、装载交联剂的热敏脂质体和气囊组成的超声墨水(US-ink)。该超声墨水被注入体内，以非侵入性方式在体内精确制造功能性生物结构。基于气囊的集成超声成像用于监测目标器官，检测预聚合物的存在，并确保准确定位和成功形成超声凝胶(US-gel)。(B) 用于产生和监测聚焦超声(FUS)的体内打印设置。RF，射频；T/R，发射器/接收器。(C) 装载交联剂的热敏脂质体的透射电子显微镜图像。比例尺，100纳米。(D) 冷冻干燥的3D打印藻酸盐超声凝胶的扫描电子显微镜图像。比例尺，20微米。(E) 用声音在体内打印的功能性水凝胶结构。比例尺，5毫米。(F至H) 基于DISP的体内打印应用：用于感知和记录的生物电子设备(F)，用于药物递送和组织再生的生物载体(G)，以及用于创伤封闭和设备/组织界面的生物粘合剂(H)。

DISP本质上创建了一个"远程遥控"的生物工厂系统：
首先通过微创注射将生物墨水导入体内，这些墨水包含特殊设计的热敏脂质体（一种对温度变化敏感的微型囊泡）。脂质体内封装了能够触发生物材料交联固化的关键物质。医生可通过聚焦超声波系统，精准地将声能集中到体内目标位置，产生局部温度升高，激活热敏脂质体释放交联剂，从而在指定位置形成固态生物结构。

研究亮点
●通过热敏脂质体与超声波精准控制系统相结合，实现毫米级精度的空间控制
●无需侵入性手术，即可在体内深部组织直接打印功能性生物材料
●多功能生物墨水系统适应不同医疗需求，包括导电型、药物载体型、细胞载体型和生物粘合型等
●该技术在神经修复、心脏病治疗、癌症靶向治疗、组织再生等领域具有广阔应用前景，开创了微创治疗的新纪元。

6. 3D层流辅助钙钛矿晶体化技术

2025年5月，来自杭州微导纳米科技有限公司、浙江科技学院土木工程与建筑学院、浙江大学光电科学与工程学院等机构的科研人员在《Science》上发表了一项突破性研究，题目为3D laminar flow–assisted crystallization of perovskitesfor square meter–sized solar modules，展示了利用3D打印技术优化钙钛矿太阳能电池（PSCs）大规模制造工艺的创新方法。研究人员通过设计并3D打印一种新型的层流空气干燥器（LAD），成功解决了大面积钙钛矿薄膜均匀结晶的难题，推动了高效、稳定的平方米级钙钛矿太阳能组件的商业化生产。


△三种3D打印的层流空气干燥器（LAD）结构设计的仿真优化

研究亮点：
●3D打印的层流空气干燥器能产生高度均匀的层流，促进钙钛矿前驱体溶液中的溶剂在整个薄膜表面均一挥发。
●该技术成功实现了平方米级钙钛矿太阳能组件的连续化、规模化生产。
●最大面积的组件达到7906平方厘米，认证效率高达15.0%（功率118瓦），并通过了关键可靠性测试。

这一技术为钙钛矿太阳能电池的产业化提供了有力支持，为推动清洁能源发展做出了重要贡献。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001

7. 快速模型指导的器官级合成血管系统设计

2025年6月，斯坦福大学研究人员开发出一种更快、更精确的血管系统建模和打印方法，解决了利用患者自身细胞制造可移植器官的关键挑战。题目为Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing。



据斯坦福大学统计，美国有超过10万人在器官移植名单上，其中一些人需要等待数年才能获得器官，而另一些人甚至可能撑不过等待。即使器官匹配良好，人体也有可能产生排斥反应。为了缩短等待时间并降低排斥反应的可能性，再生医学研究人员正在开发利用患者自身细胞按需制造个性化心脏、肾脏、肝脏和其他器官的方法。

确保氧气和营养物质能够到达新生器官的每个部分是一项持续的挑战。斯坦福大学的研究人员开发出新的工具，用于设计和3D打印极其复杂的血管树，这些血管树负责将血液输送到整个器官。研究者表示：“目前，生物打印组织的规模化能力受限于能否为其生成血管——如果不提供血液供应，就无法扩大这些组织的规模。我们能够使生成血管的算法运行速度比以往方法快约 200 倍，并且可以生成器官等复杂形状的血管。”

研究亮点
●新的设计平台能以比以往更快的速度生成与人体血管系统相似的设计
●该算法的运行速度比以往方法快约200倍，可生成器官等复杂形状的血管
●研究者已能设计并打印包含500个分支的血管模型，并测试证实能维持细胞存活

这项技术为器官生物制造领域提供了突破性解决方案，有望缩短器官移植等待时间并降低排斥反应可能性，为再生医学开辟了新道路。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152
总结
2025年上半年《Science》顶刊上发表的3D打印相关研究成果涵盖了材料科学、能源、医学等多个领域，展示了3D打印技术在解决科学前沿和工程实际问题中的独特价值。从可回收的高性能材料到体内生物打印，从大规模能源器件制造到微观结构精确控制，3D打印技术正以其灵活性、精确性和可持续性，持续推动着科学技术的进步和产业的创新发展。这些研究不仅丰富了3D打印技术的应用场景，也为材料设计、生物医学、清洁能源等领域带来了新的思路和可能性。