中國學(xué)者占7成！3D打印2025年已發(fā)表《Science》和《Nature》正刊10篇盤點！

來源：EFL生物3D打印與生物制造

作為國際頂尖學(xué)術(shù)期刊，《Nature》與《Science》所發(fā)表的論文向來被視作各領(lǐng)域突破性進(jìn)展與前沿成果的重要標(biāo)志。2025 年已過半程，EFL 特此為大家梳理了這半年來兩刊刊登的 3D 打印技術(shù)相關(guān)研究成果。

2025 年上半年發(fā)表的十篇《Science》《Nature》正刊文章中，分別聚焦于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新2篇、高性能材料打印1篇、打印材料循環(huán)回收2篇、金屬3D打印工藝、新型3D打印應(yīng)用2篇（鈣鈦礦太陽能電池、機(jī)器人控制）、聲學(xué)3D打印技術(shù)1篇、3D血管網(wǎng)絡(luò)路徑算法1篇。 這些成果在一定程度上，正勾勒著 3D 打印技術(shù)的未來發(fā)展方向。

一、《Science》：3D打印多連鎖架構(gòu)材料PAMs
來自加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊提出了 3D打印的多連鎖架構(gòu)材料（PAMs）的設(shè)計思路，研究成果發(fā)表于《Science》，作者為中國學(xué)者周文杰，現(xiàn)為加州理工大學(xué)博士后。

研究團(tuán)隊將連續(xù)晶格拓?fù)滢D(zhuǎn)換為離散的環(huán)形或籠形顆粒連接結(jié)構(gòu)，并通過改變顆粒幾何形狀和連接拓?fù)鋪碚{(diào)控材料性能。實驗采用增材制造技術(shù)制備 PAMs 樣品，進(jìn)行單軸壓縮、剪切和流變學(xué)測試等。結(jié)果顯示 PAMs在小載荷下呈現(xiàn)非牛頓流體特性；大應(yīng)變時類似晶格和泡沫，應(yīng)力 - 應(yīng)變呈非線性。在微觀尺度下，PAMs 能響應(yīng)靜電電荷改變形狀。研究驗證了 PAMs 設(shè)計框架的可行性，為創(chuàng)造具有特殊力學(xué)性能和響應(yīng)控制的架構(gòu)材料奠定了基礎(chǔ)。

文章來源：https://doi.org/10.1126/science.adr9713

二、《Science》：3D打印高性能熱電材料

來自奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（ISTA）Maria Ibá?ez教授和中國學(xué)者Shengduo Xu博士等人通過基于擠出的 3D 打印技術(shù)制備高性能熱電材料，來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊設(shè)計的墨水配方可確保 3D 打印結(jié)構(gòu)的完整性，并在燒結(jié)過程中實現(xiàn)有效的顆粒結(jié)合。這使得 p 型鉍銻碲 [(Bi, Sb)?Te?] 和 n 型硒化銀 (Ag?Se) 材料在室溫下的無量綱優(yōu)值（zT）分別達(dá)到 1.42 和 1.3，創(chuàng)造了新的紀(jì)錄。由此制成的熱電冷卻器在空氣中的冷卻溫度梯度可達(dá) 50°C。此外，這種可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的方法避免了諸如鑄錠制備和后續(xù)機(jī)械加工等耗能大、耗時久的步驟，為熱電裝置的生產(chǎn)提供了變革性的解決方案，也預(yù)示著高效可持續(xù)熱電技術(shù)新時代的到來。

研究展示了一種可重復(fù)且可規(guī)?；姆椒ǎ糜谑褂?3D 打印材料制造高性能熱電冷卻器（TECs）。通過基于擠出的 3D 打印技術(shù)，制備出了室溫下 p 型 (Bi, Sb)2Te3的 zT 值達(dá) 1.42、n 型 Ag2Se 的 zT 值達(dá) 1.3 的高性能熱電材料。實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵在于定制墨水配方，以促進(jìn)在去除兩種材料的液體介質(zhì)過程中顆粒間界面結(jié)合的形成，制備得到的高孔隙率材料展現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能。將打印的熱電材料集成到一個 32 對的裝置中，其冷卻能力與最先進(jìn)的熱電冷卻器相當(dāng)。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

三、《Science》：磁場調(diào)控解決增材制造氣孔缺陷

來自倫敦大學(xué)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院（UCL Mechanical Engineering）Peter D. Lee教授與英國格林威治大學(xué)Andrew Kao教授團(tuán)隊合作開展研究。他們利用高速同步加速器 X 射線成像技術(shù)，結(jié)合對比實驗與量化分析，深入探究激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）過程中磁場對匙孔穩(wěn)定性的影響機(jī)制。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)匙孔后壁上由流動渦引起的凸起是引發(fā)匙孔失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，施加橫向磁場可通過驅(qū)動二次熱電磁流體動力學(xué)（TEMHD）流動抑制匙孔失穩(wěn)。相關(guān)工作以 “Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing” 為題發(fā)表在《Science》上，成功解決了長期以來對靜磁場在該領(lǐng)域作用機(jī)制理解不清晰的痛點，為優(yōu)化激光焊接和增材制造過程提供了理論依據(jù) 。中國學(xué)者XIANQIANG FAN為本文的一作兼共同通訊作者。

在激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）領(lǐng)域，當(dāng)前研究雖取得進(jìn)展，但仍面臨挑戰(zhàn)。對磁場控制相關(guān)機(jī)制的理解尚不深入，缺乏對磁場影響下關(guān)鍵過程的直接觀測，限制了對匙孔動力學(xué)和熔池流動的深入探究。盡管施加磁場能抑制匙孔孔隙，但在不同材料和工藝參數(shù)下的效果差異，以及磁場與材料特性的復(fù)雜相互作用，尚未完全明晰。未來，需進(jìn)一步深入研究不同材料和工藝參數(shù)下磁場的作用機(jī)制，優(yōu)化磁場應(yīng)用策略。同時，應(yīng)探索更先進(jìn)的觀測技術(shù)，突破現(xiàn)有成像速度和熔池尺寸限制，實現(xiàn)對關(guān)鍵過程的實時、精準(zhǔn)觀測。這將有助于建立更完善的理論模型，為激光焊接和 LPBF 技術(shù)的優(yōu)化提供更堅實的理論支持，推動該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，拓展其在更多復(fù)雜制造場景中的應(yīng)用。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8554

四、《Science》：高性能光聚合物的解離網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

浙江大學(xué)謝濤教授和鄭寧教授團(tuán)隊開發(fā)了一種動態(tài)解離光化學(xué)方法，通過逐步光聚合形成二硫縮醛鍵，實現(xiàn)了聚合物網(wǎng)絡(luò)與光反應(yīng)性低聚物之間的可逆轉(zhuǎn)換，從而達(dá)成循環(huán)3D打印。該方法不僅具備100%的回收效率，還能對聚合物網(wǎng)絡(luò)主鏈進(jìn)行模塊化調(diào)整，制備出多種高性能聚合物材料。相關(guān)工作以“Circular 3D printing of high - performance photopolymers through dissociative network design”為題發(fā)表在《Science》上。 循環(huán)3D光打印及其應(yīng)用。

本研究開發(fā)的可循環(huán)光打印材料有效解決了3D打印中樹脂成本高和廢料增多的問題。研究利用解離光化學(xué)原理，成功克服了完全可回收性與高機(jī)械性能之間的矛盾，這為該材料的實際應(yīng)用清除了主要障礙。該化學(xué)原理不僅局限于二硫縮醛，還可能拓展到其他動態(tài)化學(xué)領(lǐng)域。同時，基于聚合物網(wǎng)絡(luò)與其低聚片段之間的動態(tài)解離平衡，突破了傳統(tǒng)聚合物 - 單體轉(zhuǎn)化的閉環(huán)回收模式，拓寬了塑料閉環(huán)回收的途徑。在實際應(yīng)用方面，這種材料特別適合作為牙科牙套和金屬鑄造的犧牲模具，既能顯著減少塑料浪費，又能降低生產(chǎn)成本。綜合來看，本研究成果為3D打印材料的可持續(xù)發(fā)展提供了創(chuàng)新思路和可行方案，有望推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的綠色變革。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads3880

五、《Science》：深層組織的圖像引導(dǎo)聲學(xué)3D打印

來自加利福尼亞理工學(xué)院的高偉教授團(tuán)隊，聯(lián)合多個單位開展合作研究。他們開發(fā)了成像引導(dǎo)的深部組織體內(nèi)聲打?。―ISP）平臺，利用負(fù)載交聯(lián)劑的低溫敏感脂質(zhì)體（LTSLs），結(jié)合聚焦超聲，實現(xiàn)了對多種功能性生物材料的精確、快速、按需交聯(lián)。該平臺整合基于氣泡（GV）的超聲成像，能夠?qū)崟r監(jiān)測打印過程，確保精準(zhǔn)定位和原位交聯(lián)的準(zhǔn)確性。相關(guān)工作以“Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing”為題發(fā)表在《Science》上，為解決生物3D打印面臨的難題提供了新的有效途徑，展現(xiàn)出在局部藥物遞送和組織替代等方面的巨大應(yīng)用潛力。

本研究利用負(fù)載交聯(lián)劑的低溫敏感脂質(zhì)體（LTSLs），實現(xiàn)了超聲引導(dǎo)下的體內(nèi)聲打印，能夠在體內(nèi)深部精確、高速、高分辨率地制造功能性生物結(jié)構(gòu)。研究設(shè)計了多種生物墨水，涵蓋導(dǎo)電、載藥、載細(xì)胞和生物粘性配方，采用了不同的交聯(lián)化學(xué)方法。實時超聲成像確保了精準(zhǔn)靶向和可控的原位交聯(lián)。體內(nèi)外研究均證實，預(yù)聚物和打印的水凝膠具有較高的生物相容性。作為概念驗證，本研究在小鼠膀胱和兔子腿部肌肉中成功進(jìn)行了體內(nèi)打印，展現(xiàn)出該技術(shù)在靶向治療干預(yù)和組織替代方面的潛力。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0293

六、《Science》：3D 打印層流干燥器助力鈣鈦礦太陽能組件 “呼吸式” 生產(chǎn)

為突破上述難題，浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院、青年教師王征博士、杭州纖納光電顏步一博士、浙江大學(xué)楊旸教授等合作開發(fā)了層流干燥器（LAD）技術(shù)。團(tuán)隊通過3D打印定制LAD結(jié)構(gòu)，模擬旋涂工藝的均勻?qū)α鞲稍锾匦?，結(jié)合狹縫涂布技術(shù)，實現(xiàn)了0.79 m2鈣鈦礦薄膜的快速均勻干燥。該方法解決了可壓縮泡沫墨水在大面積干燥中的溶劑殘留和厚度不均問題，使組件兼具高轉(zhuǎn)換效率（冠軍組件15%）和穩(wěn)定性（通過三組IEC可靠性測試）。   

相關(guān)工作以“3D laminar flow–assisted crystallization of perovskites for square meter–sized solar modules”為題發(fā)表在《Science》上。

本研究開發(fā)了層流干燥器（LAD）技術(shù)，將3D打印結(jié)構(gòu)與三維層流氣流結(jié)合，實現(xiàn)了平方米級鈣鈦礦薄膜的均勻干燥。通過優(yōu)化LAD內(nèi)部流道設(shè)計，解決了傳統(tǒng)真空閃蒸氣流持續(xù)時間短、溶劑殘留多的問題，使鈣鈦礦太陽能組件（PSMs）兼具15%的全面積效率和優(yōu)異穩(wěn)定性（通過三組IEC可靠性測試）。戶外測試表明，在0.5 MWp系統(tǒng)中，PSMs年能量產(chǎn)出較硅基組件高29%，首年衰減率<2%，預(yù)計T90壽命達(dá)9年。研究發(fā)現(xiàn)，LAD的穩(wěn)定層流特性可完全去除高沸點溶劑，減少薄膜缺陷，其溫度系數(shù)優(yōu)勢（-0.144%/°C）使其在高溫環(huán)境下保持高效發(fā)電。該技術(shù)實現(xiàn)了實驗室效率向大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，為單結(jié)鈣鈦礦組件的商業(yè)化提供了關(guān)鍵工藝支撐。


文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001


七、《Science》：3D打印心臟血管網(wǎng)絡(luò)快速成型技術(shù)

當(dāng)前，人類在生產(chǎn)大規(guī)模生物制造器官時，面臨血管化和灌注不足的重大挑戰(zhàn)，尤其是為任意復(fù)雜幾何形狀設(shè)計和打印能滿足充分灌注的血管網(wǎng)絡(luò)極為困難?，F(xiàn)有方法如晶格設(shè)計難以復(fù)現(xiàn)天然血管拓?fù)浜脱鲃恿W(xué)，無法滿足臨床相關(guān)細(xì)胞密度的代謝需求，而像CCO等血管生成算法存在構(gòu)建時間長、處理非凸形狀能力有限且無法預(yù)測多尺度血流動力學(xué)等缺陷。為此，斯坦福大學(xué)Mark A. Skylar-Scott和Alison L. Marsden教授團(tuán)隊，引入模型驅(qū)動設(shè)計平臺，結(jié)合CCO方法、多保真計算流體動力學(xué)模擬及三維生物打印技術(shù)，實現(xiàn)了器官規(guī)模合成血管網(wǎng)絡(luò)的快速生成，解決了現(xiàn)有算法效率和幾何適應(yīng)性問題，提升了生物制造組織中細(xì)胞 viability。相關(guān)工作以“Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”為題發(fā)表在2025年6月12日的《Science》上。

本研究表明，工程化器官規(guī)模組織的未來依賴于強(qiáng)大的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，以通過基于物理的功能目標(biāo)設(shè)計和驗證血管網(wǎng)絡(luò)。本研究提出了一個全面的模型驅(qū)動管道，可在任意幾何形狀中高效生成血管，創(chuàng)建適合生物制造的水密模型和用于高級多保真血流動力學(xué)模擬的數(shù)字孿生。盡管本研究還提出了一種生物制造可灌注血管樹的方法，但具有較小直徑血管的大型復(fù)雜樹構(gòu)建緩慢，且打印不準(zhǔn)確性可能導(dǎo)致不連續(xù)或堵塞，從而抑制灌注。從長遠(yuǎn)來看，工程化組織有望在患者特定干預(yù)中替代受損或患病器官，而驗證此類生物制造構(gòu)造將需要在資源密集型制造之前進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計。本研究的模型驅(qū)動管道可在普通計算硬件上于數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的合成血管模型，為未來合成血管結(jié)構(gòu)在生物制造和患者特定建模中的廣泛應(yīng)用擴(kuò)展了更廣泛血流動力學(xué)分析和設(shè)計優(yōu)化的潛力。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152

八、《Nautre》：可降解塑料新突破
傳統(tǒng)熱固性材料源于石化且難回收，現(xiàn)有制備可降解交聯(lián)聚合物方法繁瑣、資源消耗大，難以替代傳統(tǒng)材料。美國康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊，在《Nature》發(fā)文。他們用生物基單體2,3-二氫呋喃（DHF），經(jīng)正交聚合制備可降解熱固性材料。采用開環(huán)易位聚合和陽離子聚合實驗，控制反應(yīng)條件制得性能多樣、可降解回收的材料。該研究驗證了以DHF制備材料的可行性，為熱固性材料發(fā)展提供新思路。未來或推動其在3D打印等領(lǐng)域應(yīng)用，助力可持續(xù)發(fā)展。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08386-w

九、《Nautre》：模塊化手性折紙超材料

機(jī)械超材料是具有特殊幾何排列的宏觀結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生不尋常的力學(xué)性能和變形模式。手性超材料可實現(xiàn)應(yīng)變與扭轉(zhuǎn)的耦合等特殊變形效果，但現(xiàn)有超材料存在雙運動耦合、無法獨立控制且變形受限（應(yīng)變≤2%）等問題。來自普林斯頓大學(xué)的 Glaucio H. Paulino 教授團(tuán)隊合作構(gòu)建了模塊化手性超材料，由拉脹平面鑲嵌和受折紙啟發(fā)的柱狀陣列組成，實現(xiàn)了解耦驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出自然界中不存在的響應(yīng)：它們在壓縮時會扭曲，在扭曲時會壓縮。這種設(shè)計可以用于制造用于各種應(yīng)用的材料，包括熱調(diào)節(jié)、機(jī)器人和包裝。相關(guān)工作以 “Modular chiral origami metamaterials” 為題發(fā)表在《Nature》上。這項研究的第一作者為中國學(xué)者趙拓，其本科就讀于大連理工大學(xué)，現(xiàn)為普林斯頓大學(xué)博士后研究員。

本研究探索了模塊化手性超材料，其在單自由度驅(qū)動下可實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、收縮和高度變化等有限多模態(tài)變形。多模態(tài)變形與 Kresling 圖案的非剛性折紙行為及手性折紙的模塊化相關(guān)。該超模塊化系統(tǒng)可實現(xiàn)可重構(gòu)多穩(wěn)定性、可調(diào)負(fù)載能力、可擴(kuò)展性和多物理場集成。研究成果可用于揭示熱調(diào)節(jié)等應(yīng)用、闡釋機(jī)械滯后等理論，還能拓展跨學(xué)科研究，如用于微機(jī)器人的按需編程組裝變形和性能調(diào)控。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08851-0

十、《Nature》：深度網(wǎng)絡(luò)推斷視覺運動雅可比場的 3D 打印異構(gòu)機(jī)器人通用控制方法

在機(jī)器人領(lǐng)域，模仿自然生物復(fù)雜結(jié)構(gòu)與功能面臨長期挑戰(zhàn)，現(xiàn)代制造技術(shù)雖拓展了硬件可行性，但生物啟發(fā)的機(jī)器人多為軟體或多材料、缺乏傳感且材料特性隨使用改變，傳統(tǒng)建模與控制方法難以適用。

麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與人工智能實驗室的Sizhe Lester Li教授與Vincent Sitzmann教授團(tuán)隊合作，提出利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器人視頻流映射至視覺運動雅可比場的方法，僅通過單攝像頭即可實現(xiàn)對機(jī)器人的控制，且不依賴其材料、驅(qū)動或傳感特性，通過觀察隨機(jī)命令執(zhí)行自監(jiān)督訓(xùn)練。該工作成功控制了多種驅(qū)動、材料與造價的機(jī)器人，實現(xiàn)精確閉環(huán)控制并恢復(fù)其因果動態(tài)結(jié)構(gòu)，相關(guān)成果以“Controlling diverse robots by inferring Jacobian fields with deep networks”為題發(fā)表在《Nature》上。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09170-0