双光子聚合技术（Two-Photon Polymerization, TPP）是一种高精度的3D微纳加工技术，它通过精确控制微结构的加工来实现对材料的微纳尺度制造。双光子聚合技术能够精确控制微结构的加工，实现高精度、高分辨率的三维微纳结构制造，广泛应用于微光学、微流体、生物医学和微机电系统等领域。

近日，基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响是一个前沿的研究方向，中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队利用双光子聚合技术制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应。他们的研究为生物医学领域开辟了新的研究方向，并证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性。借助MNTech微纳领航的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于3D打印这一前沿领域的突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311951

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响的研究，为生物医学领域提供了新的视角和工具，有望在组织工程、药物筛选、生物传感器等方面发挥重要作用。”

中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队在Small上发表了相关论文，他们利用先进的双光子聚合技术，制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应，为生物医学领域开辟了新的研究方向。

细胞的行为和命运与其所处的微环境息息相关, 其中细胞外基质 (ECM) 的物理和化学特性发挥着至关重要的作用。ECM 的拓扑结构，特别是其机械特性，如刚度和泊松比, 深刻影响着细胞的粘附、增殖、分化和迁移。为了更好地理解细胞与 ECM 之间的复杂相互作用, 科学家们一直在努力开发能够精确模拟细胞微环境的体外模型, 例如微图案化表面、微流控装置和3D支架等。近年来, 机械超材料以其独特的力学性能和可定制的结构设计, 逐渐成为构建体外模型的新兴平台, 为细胞力学研究提供了强大的工具。

然而，构建能够精确模拟 ECM 机械特性的机械超材料并非易事。首先，制造具有精确可控微观结构的超材料需要高精度和高分辨率的加工技术。传统的制造方法，如光刻和软光刻，在制造复杂的三维结构方面存在局限性，难以满足研究需求。其次，机械超材料需要精确模拟 ECM 的力学性能，如刚度和泊松比，才能准确地模拟细胞的微环境。这对于材料的选择和结构设计提出了很高的要求。此外，细胞与机械超材料之间的相互作用是一个复杂的过程，受多种因素影响，包括材料的表面特性、力学性能和拓扑结构等，需要进行系统深入的研究。

为了克服这些挑战，教授团队采用双光子聚合技术来制造具有周期性微结构的机械超材料。他们在配备了油浸物镜 (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光写入设备上，以IP-Dip光刻胶为材料，实现了高精度和高分辨率的 3D 打印，从而可以精确控制微结构的几何形状和尺寸。研究人员巧妙地设计了两种不同的微结构：拉胀结构和 Auxetic 结构。拉胀结构在拉伸时会横向膨胀，而 Auxetic 结构在拉伸时会横向收缩。这两种结构具有不同的泊松比，可以模拟不同类型的 ECM，为研究细胞在不同力学环境下的行为反应提供了理想的平台。

为了探究这些机械超材料对细胞行为的影响，研究人员将人骨髓间充质干细胞 (hMSCs) 培养在这些超材料上，并仔细观察和分析了细胞的排列和迁移行为。实验结果表明，hMSCs 在拉胀结构上表现出明显的排列现象，细胞沿着拉胀结构的方向排列生长，而在 Auxetic 结构上则没有观察到明显的排列现象。这说明细胞能够感知并响应不同机械超材料的力学特性，并调整自身的形态和行为。更进一步的研究发现，拉胀结构可以促进 hMSCs 的迁移，这可能是由于拉胀结构产生的应力梯度引导了细胞的迁移方向。

这项研究成果不仅证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性，也为开发新的体外模型和组织工程支架提供了新的思路。通过精确控制微结构的几何形状和尺寸，可以调节机械超材料的力学性能，从而影响细胞的排列和迁移等行为。未来，研究人员可以设计和制造更复杂的机械超材料，例如模拟体内组织结构的多层级结构，以更真实地模拟 ECM 环境。此外，还可以将生物活性分子或药物结合到机械超材料中，以进一步调控细胞行为，例如促进细胞分化或抑制细胞凋亡等。

当然，这项研究也存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在细胞的排列和迁移行为，未来还需要进一步研究机械超材料对细胞增殖、分化等行为的影响。此外，还需要进行体内研究来验证机械超材料在组织再生和修复方面的应用潜力。

这项研究，为利用机械超材料研究细胞行为开辟了新的途径，并为开发新的生物医学应用提供了重要的启示。相信随着研究的深入，机械超材料将在生物医学领域发挥越来越重要的作用。

来源
MNTech微纳领航 l

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响

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以下文章来源于材料科学与工程 ，作者材料科学与工程

增材制造因其在复杂几何形状设计和成本效益方面的显著优势，逐渐成为研究和应用的热点。然而，与传统制造方法相比，增材制造中多个工艺参数控制的高度瞬态和复杂的制造过程会导致形成的独特微观结构和不可忽视的残余应力，这使得增材制造材料实现稳定、一致和精细可控的机械性能颇具挑战性。在晶粒尺度上，机械性能的不稳定性表现为增材制造微观结构内的变形不均匀性，即应变局部化现象，而这可能引发裂纹和失效，同时影响材料的强度和延展性。因此，研究增材制造材料的应变局部化行为及其背后的机制具有重要意义。

新加坡国立大学机械系闫文韬课题组对激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造的316L不锈钢的应变局部化行为进行了深入研究。研究团队开发了一种能够考虑残余应力影响的基于位错的晶体塑性有限元模型，该模型能够准确再现拉伸实验中通过DIC观察到的应变分布。通过结合实验和仿真数据对观察区域内的大量晶粒进行了统计分析，其中讨论了滑移活动、位错演化、加载方向和晶粒尺度残余应力等各种因素，进而可以阐明增材制造微观结构特征对应变局部化的影响，这将为增材制造材料的微观结构设计提供见解。相关工作成果以Understanding the strain localization in additively manufactured materials: Micro-scale tensile tests and crystal plasticity modeling为题发表在《International Journal of Plasticity》上。

▲论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.103981

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

3D科学谷发现

3D Science Valley Discovery

新加坡国立大学的这项研究亮点包括：

1. 模型开发：研究人员开发了一个晶体塑性模型，该模型考虑了晶粒尺寸效应、残余应力和应变梯度等因素，通过EBSD数据计算Kröner–Nye张量来估算残余变形梯度和初始GND密度。
2. 统计分析：对晶粒的统计分析揭示了应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。
   晶粒特征与应变分布：发现大尺寸晶粒有助于减少应变集中，而高残余应力的小晶粒中应变局部化现象更为显著。
   位错演化：位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。
   微结构对应变分布的影响：增材制造材料的柱状晶粒特征导致应变分布对加载方向高度敏感，不同加载方向下应变分布特征不同。

开发的模型不仅可以预测应变局部化现象，还可以用于解耦各个因素对机械行为的影响，并预测增材制造零件的损伤。这项研究不仅增进了对增材制造材料变形机制的理解，而且为材料设计和工艺优化提供了有价值的见解。

Insights that make better life

 主要研究结果

本项工作中，研究者通过L-PBF构造了如图1所示具有显著的柱状晶-等轴晶分布特征但呈现不同分布形式的316L不锈钢样品，并通过在原位拉伸试验中的DIC记录了观察区域在不同受力阶段下的应变分布情况。为了探究应变局部化发生的机理，研究者开发了一个包含应变梯度的基于几何必要位错（GND）密度的晶体塑性模型，该模型中耦合了通过EBSD数据中计算得到的Kröner–Nye张量估算的残余变形梯度和初始GND密度，能够考虑微结构中的晶粒尺寸效应和残余应力影响。通过对比相同受力阶段下的应变分布，如图2所示，此模型能够相对准确地反映AM微结构在受力下的应变的分布特征，说明当下的模型能够很好地反映AM材料中的变形行为和应变局部化现象的形成。

图1. (a) 原位拉伸装置 (b) 样品观察区域的SEM示意图 (c) 样品1及 (d) 样品2的 EBSD结果。

图2通过对比不同受力阶段下DIC和晶体塑性仿真得到的应变分布进行对模型的验证。

图3观察区域内晶粒的各个因素与应变局部化之间关系的统计分析。

通过对大量晶粒的统计分析，如图3所示，研究进一步揭示了增材制造材料中应变局部化与滑移行为、晶粒间相互作用、位错演化及残余应力之间的复杂关系。研究发现，应变局部化不仅需要单个晶粒内部的滑移系被局部的受力状态良好激活，还受到晶粒间相互作用和滑移传递能力的显著影响，相邻的支持滑移传递的晶粒越多，越不易发生应变集中，而增材制造材料的微结构中的大尺寸晶粒在此方面更具优势。应变局部化现象在具有高残余应力的小晶粒中尤为显著，而在较大晶粒中表现相对较弱，这是因为残余应力在后续加载中对小晶粒的机械响应影响更为显著。

应变的增长与位错密度的演化也显著相关，位错密度的增加主要集中在晶界附近，尤其是在小晶粒和形状变化显著的区域。另外，通过对比两个样品可以发现，增材制造材料的微结构中柱状晶粒的特征使得应变分布对加载方向高度敏感，导致了不同加载方向下明显不同的应变分布特征。从图4中可以看出，在样品2中受力与柱状晶的长轴方向更为接近，产生的GND增长峰值区域与应变的积累相关。而在样品1中由于沿着受力路径穿过晶粒距离更短，有更多晶界起到阻碍作用，使得位错密度变化明显具有更大的波动，影响了应变局部化的分布特征。增材制造在微结构设计的灵活性也使其具有通过设计柱状晶排布特征来调节力学性能的潜力。

图4. (a) 样品1 和 (b) 样品2 中沿着受力方向的路径上几何必要位错密度的增长情况。

除了对增材制造的材料应变局部化现象的预测之外, 本研究开发的模型也能够用于解耦各个因素对机械行为的影响，并且可用于预测后续增材制造零件的损伤。这些发现不仅加深了对增材制造材料变形机制的理解，也为设计微观结构提供了思路，以有效促进均匀塑性流动并最大限度地减少应变局部化。从材料设计的角度来看，增材制造在设计微观结构来调节机械性能的方面具有巨大的潜力，能够通过优化工艺参数来调控微观结构的晶粒特征并降低残余应力，进而避免AM材料的提前损伤失效和提高材料机械性能。

来源：材料科学与工程

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以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者黄永江

激光定向能量沉积作为金属增材制造技术之一，因其高成形速度和设计灵活性，已被广泛应用于工程应用和实验室研究。由于激光定向能量沉积过程中金属凝固速度较快，制备样品内部普遍存在冶金缺陷和较高的残余应力。为了消除这些缺陷，通常会采用热相关的后处理方法。然而，许多研究指出热相关的后处理对合金微观结构有负面影响，不利于提高性能。因此，研究人员试图放弃成本高、耗时长的后处理，转而操纵沉积参数来改变凝固条件，特别是增材成形技术特有的循环加热而产生的本征热处理（Intrinsic heat treatment）。

受此启发，本研究通过调整成形参数，改变沉积过程中后续层对前一层的加热温度超过合金熔点的次数，即改变本征热处理的强度，对不同强度本征热处理的激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的热历史、微观结构与力学性能进行系统探究。旨在揭示本征热处理对激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金微观结构与力学性能的影响机制，并为后续借助本征热处理制备具有优质冶金质量与力学性能的中熵合金提供指导。

© 3D科学谷白皮书

▲论文链接：
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02628-6

 原文摘要

近年来，激光定向能量沉积过程中循环加热引起的本征热处理吸引了越来越多的关注。本文通过模拟和实验表征，研究了本征热处理对激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的微观结构与力学性能的影响。结果表明，本征热处理的强度与激光能量密度成正比。随着激光能量密度增加，本征热处理强度增大，合金内部发生动态再结晶和晶粒细化。然而，较高的激光能量密度导致合金内部出现严重的热裂纹，降低了合金的延展性。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效的消除。同时，低激光能量密度减小了本征热处理的强度，抑制了动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构。该结构在塑性变形过程中能够提供显著的异质变形诱导强化，使合金具有可持续的加工硬化能力。

 文章亮点

1. 通过改变激光定量能量沉积参数，得到了经历不同本征热处理的CrCoNi中熵合金样品。
2. 结合动态再结晶理论揭示了不同本征热处理状态下CrCoNi中熵合金的组织形成与力学性能变化原因。
3. 采用有限元模拟方法对激光定量能量沉积制备CrCoNi中熵合金过程中的温度场进行了重现。

 内容简介

日前，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的黄永江教授团队在Rare Metals上发表了题为“Microstructures and mechanical properties of laser directed energy deposited CrCoNi medium entropy alloy”的研究文章，通过改变激光定向能量沉积成形参数，对经过不同强度本征热处理的激光定向能量沉积制备CrCoNi中熵合金的热历史、微观结构与力学性能进行了系统研究。研究发现，激光定向能量沉积过程中本征热处理的强度与激光能量密度正相关。增加激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，进而促进CrCoNi中熵合金发生动态再结晶，产生晶粒细化效果。但是较高的激光能量密度会导致合金内部形成严重的热裂纹。通过降低激光能量密度，热裂纹能够被有效消除，而且较低的激光能量密度能够减小本征热处理强度，抑制动态再结晶，导致合金内部形成具有多尺寸晶粒的异质晶粒结构，在变形过程中提供了显著的非均匀变形诱导强化，实现可持续的加工硬化能力。

 图文解析

图1 不同样品熔池附近的扫描电镜图片和相应的元素分布图。

从扫描电镜图片中可以看到，在熔池边界处，所有样品都具有较好的冶金质量，而且元素分布均匀无偏析。同时发现，当激光能量密度较高时，样品内部观察到少量的微裂纹。随着激光能量密度降低，样品内部的微裂纹逐渐消失。孔洞缺陷在各个成形参数下均可以观察到，表明改变成形参数无法消除孔洞缺陷。

图2 （a-c）晶界取向图；（d-f）几何必须位错分布图；（g-i）再结晶分布图。

EBSD表征结果显示，采用较高激光能量密度成形的样品内部低角度晶界较少，几何必须位错密度较低，再结晶晶粒较多。低激光能量密度成形样品内部的组织特征则与此相反。

图3 Ⅰ号样品的温度场模拟结果。温度检测点位于每层中央。图中黑色点划线是CrCoNi中熵合金熔点。红色箭头表示再加热温度的最大值超过CrCoNi中熵合金熔点。

从模拟结果可以看到，在成形过程中，合金的每一层都会经过熔化和多次再加热。从第6到第9层，再加热温度超过了CrCoNi中熵合金的熔点，如此高的再加热温度对成形组织有直接影响。

图4 （a）Ⅱ号和Ⅲ号样品的循环拉伸曲线；（b）HDI应力和（c）σHDI/σtotal比值的变化情况。

循环拉伸测试结果显示，Ⅲ号样品在拉伸变形过程中表现出更高的HDI应力值，而且HDI应力在总应力中的占比也高于Ⅱ号，表明Ⅲ号中存在的多尺寸异质晶粒结构在变形过程中起到了显著的背应力强化作用。

 全文小结

1. 本征热处理的强度与激光能量密度成正比。增加激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，从而促进激光定向能量沉积制备CrCoNi 中熵合金的动态再结晶和晶粒细化。随着激光能量密度减小，动态再结晶的动力学条件被削弱的本征热处理抑制，导致合金中小尺寸晶粒占比降低。

2. 虽然较高的激光能量密度有利于提高本征热处理的强度，促使晶粒细化，但是会导致成形合金内出现热裂纹。对于本文中的CrCoNi 中熵合金，热裂纹的形成原因是高激光能量密度引发的热应力超过热开裂的临界应力。

3. 在低激光能量密度时产生的本征热处理有利于产生非均匀晶粒结构，这可以在塑性变形过程中提供显著的非均匀变形诱导强化，并使合金具有可持续的加工硬化能力。

论文引用信息：
Zhao, WJ., Liu, CY., Che, PC. et al. Microstructures and mechanical properties of laser-directed energy deposited CrCoNi medium-entropy alloy. Rare Met. (2024).

l 谷专栏 l

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纳米级金属3D打印

© 佐治亚理工学院

 纳米图案化

佐治亚理工学院的金属纳米结构3D打印技术速度比传统方法快480倍，成本低35倍，令人印象深刻。这一过程被称为纳米图案化，对于各种制造技术的创新至关重要，包括电子设备、太阳能转换、传感器等。

科研人员挑战了高强度飞秒激光器对于纳米级打印至关重要的传统观念，探索了替代方案。他们选择了超辐射发光二极管 (SLED)，其发出的光强度比飞秒激光器低十亿倍。研究人员巧妙地设计了一种投影式打印技术，可将数字图像转换为光学图像，展示出更清晰的焦点和更快的生产速度。

研究人员利用注入金属盐的透明墨水溶液，在暴露于超辐射光下时产生化学反应。该反应将盐溶液转化为金属，在表面形成纳米结构。值得注意的是，投影式打印可以一步创建整个层的结构，与逐点方法形成鲜明对比，显著提高了效率。

纳米级金属3D打印研究

© 佐治亚理工学院

SLED超辐射发光二极管的成本约为3,000美元，研究人员的目标是使纳米级3D打印大众化，潜在的应用涵盖电子、光学和等离激元学，可以为研究人员和小型企业等提供低成本解决方案。

 纳米图案化

在制造业中，大多数创新都是围绕生产大型 3D 打印零件的能力而发展的。然而，随着电子、生物技术、汽车和航空航天领域对小型化设备的需求不断增长，人们对微增材制造技术的兴趣与日俱增。那么，小零件的市场有多大呢？

微增材制造一词通常与3D微细加工或高精度增材制造互换使用，但实际上，它们并不是确切的同义词。通常，增材制造更多指的是工业制造环境，3D微细加工是描述所有方法的通用术语，例如在 MEMS 制造中非常普遍和广泛使用的光刻方法（这是一个巨大的成熟市场，并且方法非常成熟）。还有许多其他 3D 微加工方法，例如用于微流体的方法、基于电子束光刻的数字方法等等。

根据3D科学谷，在3D打印技术的发展中有两个不同方向的聚焦点，其中一个聚焦点是大幅面3D打印技术。另一个聚焦点是微观方面的，即能够制造精密、微细器件的3D打印技术。微纳3D打印能制造复杂、精细的器件，这是3D打印技术优势的体现，或将颠覆精密器件制造业。

微小的力量正在改变世界！市场上已有各种类型的 micro-AM 工艺，包括：熔丝沉积 (FFD)、直接墨水书写 (DIW)、直接能量沉积 (DED)、层压物体制造 (LOM)、电流体动力氧化还原打印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基于光聚合的 3D 打印 (P3DP) 和激光化学气相沉积 (LCVD)。

微3D打印
© 3D科学谷白皮书

与通过传统制造工艺制造的相同零件相比，制造一个小零件的速度是令人着迷的。随着小型化微型产品的进步，微3D打印适用于所有处理小型和精密零件的行业。传统上制造小零件的成本一直很高，而微增材制造现在正在提供更便宜且易于使用的解决方案… …

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 电化学生物传感芯片（检测肌氨酸）

来自哈工大、华大基因、华东理工大学、斯威本科技大学等团队共研的《集成微柱阵列电极和声微流技术的新型微流控生物传感平台的研究》，阐述了一种创新型微流体电化学生物传感平台的构建。该平台通过在微柱阵列电极（μAE）上涂覆3D双金属 Pt-Pd 纳米树，实现了电化学传感灵敏度的提升。同时，该装置采用了基于气泡的声微流技术，增加了分析物分子与电极表面的接触，进一步优化了电化学性能。

图1：PμSL 3D打印微柱阵列模具+PDMS二次翻模制备微柱阵列电极、PμSL 3D打印截断圆锥阵列模具+PDMS翻模制备截断圆锥空腔阵列

微柱阵列电极的制造过程主要依赖于面投影微立体光刻（PμSL）技术结合PDMS翻模技术，该团队利用摩方精密nanoArch®P140将光敏树脂打印在载玻片上，这样就形成了微柱阵列的阳模，然后以PDMS 翻模的阴模作为模板，采用二次翻模制造出 PDMS 微柱阵列，选用镀金微柱阵列作为电极层的工作电极，其中微柱阵列最小特征尺寸可达50μm。

图2：微柱阵列

面投影微立体光刻（PμSL）技术结合PDMS翻模技术可制备微流控电化学生物传感芯片，所制得的传感芯片线性范围宽， 灵敏度高，可广泛用于蛋白质分析及病毒检测中。

图3：过氧化氢检测和肌氨酸检测

原文：Biosensors and Bioelectronics. 223, 114703 (2023)

 仿生自供电传感器（易便携）

来自湖南大学、阿卜杜拉国王科技大学的团队协作研发了一种便携式3D打印仿生传感装置，其光电响应能力得到了显著增强，可实现双酚 A (BPA) 的灵敏检测。该装置利用高反应性的双电极系统，在光辐射的作用下产生电输出，提供传感信号，解决了依赖外部电源的问题。

图4：蕨类植物N/Ov/BiVO4光阳极的原位合成步骤

图5：N/Ov/BiVO4光阳极表面修饰的bpa特异性适配体示意图

这种独特的蕨类仿生结构提升了传感系统的传质效率，并为传感器提供了丰富的适体结合位点，实现了信号的放大。该团队将检测系统集成到了基于微纳3D打印技术的微模型中，利用摩方精密microArch® S240 3D打印出微流道模型（宽约2.5mm），其内含多个孔道 ，可与电极集成生成小型易便携的传感器。

图6：拟设计的三维传感装置的模型图

面投影微立体光刻（PμSL）技术可高精度定制微流道模型 ，有助于制备自供电传感器 ，实现对双酚A（致癌致畸） 的特异性检测。

图7：传感器性能表征—双酚A检测
原文：Biosens Bioelectron. 220, 114817(2023)

在会议的展会现场，摩方精密还展出了系列自主研发的多领域应用样件，吸引众多来自生物医疗、学术科研、创新领域等业界专家学者前来参观，其中包括深圳市微米纳米技术学会会长、北京大学教授金玉丰，香港大学教授陆洋和武汉大学工业科学研究院执行院长刘胜等。

© 摩方精密

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集成电路的晶体管尺寸逐渐逼近光子和电子的极限，摩尔定律的延续即将走到尽头。发展纳米尺度器件制造的新技术迫在眉睫。如今，随着3D打印技术的发展，其特征尺寸逐渐逼近纳米级，使这种不受光源限制的增材制造技术成为潜在的破局者。然而，打印速度慢、制造环境复杂、材料种类受限以及结构自由度低等关键因素限制了这项技术的应用发展。

传统的微纳尺度3D打印技术，依赖于实物喷嘴，其加工精度均由喷嘴决定，既无法实现更低至几纳米级的加工精度，也无法保证大规模的加工；以电子束和离子束的加工为例，虽然它们能够实现纳米尺度的精度，但无法实现大面积阵列的快速打印。

在上海科技大学“小而精、高水平”的科研氛围中，冯继成教授课题组发展了兼具高精度、高通量和多材料的纳米尺度3D打印技术——“法拉第3D打印”，寻求纳米尺度3D打印的全新突破。他们的最新进展以“Metal 3D nanoprinting with coupled fields”为题发表在国际期刊Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3#citeas

 气溶胶与法拉第

区别于其他3D打印技术，法拉第3D打印所使用的结构构建单元来自于大气压环境下的气溶胶—一种悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。通俗来说，所谓气溶胶，就类似于我们日常生活中常见的“PM2.5”和“雾霾”，微米乃至纳米级别的小颗粒与承载它们的大气共同组成的系统，其中微粒与气体“如胶似漆，难分难舍”因此得名为“胶”，即通称为“气溶胶”。这种独特的气溶胶构建单元决定了法拉第3D打印在常温常压下即可进行，并且不需要任何液相添加剂，不引入任何污染和杂质。

如何令这些形似“雾霾”的气溶胶按照设定的指示组装成精细而精确的三维纳米结构呢？

问题的答案要从“法拉第”说起。19世纪，法拉第用笔描绘出电场线，为我们揭示了“场”的形状。在这项技术中，冯继成课题组反用电场线作为画笔，将构建单元沿着电场线的形状组装成三维纳米结构，恰如使用电场线描绘三维物体。前后两者颇有几分异曲同工之妙，故将该技术命名为“法拉第3D打印”。具体来说，实施这项技术时，气溶胶中带有电荷的微粒将沿着预先设计好的电场线——称之为“电力线画笔”，像搭房子一样一砖一瓦地构筑精确的三维纳米结构（图1）。另外，由于电力线画笔非实物，如果面积足够大，可以同时构建亿万个同样的画笔，在不改变精度前提下打印出亿万个纳米结构！实验结果已经证明了在20分钟内便可快速打印出多达64 000 000个纳米结构，形成复杂的纳米三维结构阵列。

图1：光/电的曙光：气溶胶“砖块”沿着电力线画笔描绘成三维纳米结构。

 双层流与电力线

保证这些结构的稳定性和精确度十分具有挑战性。冯继成课题组采用电场和流场的协同作用，实现了构建三维纳米结构的“砖块”的均匀性和稳定性。具体来说，通过流场/电场耦合，过滤掉不带电荷和尺寸较大的“砖块”，而筛选出带有电荷且尺寸均匀“砖块”作为搭建三维结构的构建单元。在这个过程中，裹挟着金属纳米颗粒的气流将进入一个双层的流场区域（图2a）的上半部分，其下半部分为干净的、无纳米颗粒的惰性气体区域，上下两部分流场同时向箭头方向流动。与此同时，该区域存在一个垂直于流场的方向且指向下的聚焦于打印区域的电场。于是，在两个力场（流场和电场）的作用下，较轻的纳米颗粒（小于5nm）能够克服流场带来的惯性，从而沿着电场线方向运动，构建成三维纳米结构；而在同等强度的电场力作用下，较重的纳米颗粒无法克服惯性，便继续沿着流场方向运动。由此，即可实现特定尺寸纳米颗粒的筛选，并在该过程中原位打印成复杂的纳米结构阵列。使用更小的颗粒，还容易逼近打印的极限尺度，该工作中已实现了线宽为14 nm的金属打印（图2k，l）。这里的流场会对带电纳米颗粒产生正面的拖曳力，使得其能沿着弯曲的电场线迁移，避免了在带电颗粒在真空中偏移弯曲电场线的问题。

图2：双层流与电力线的协作。电场线的空间构型决定了三维纳米结构的几何形状，通过纳米颗粒筛选可实现高精度、高通量和多材料的3D打印。

 大道至简-化腐朽为神奇的伟力

图3：结构和材料多样的周期性阵列， 比例尺：5微米。

科学的突破离不开对身边日常事物的观察、而真理往往就蕴藏在我们身边。随处可见、触手可及的气溶胶也能构建出形状各异、秩序井然的三维纳米结构阵列（图4），实现了三维纳米制造“小而精”的突破，自然科学所展现的这种化腐朽为神奇的伟力，正是其魅力所在。其实，这项技术还远未达到极限。未来冯继成教授课题组将继续深化气溶胶“砖块”和“电力线画笔”的改进和探索，希望在未来能实现转移转化，以期将该打印机集成到半导体装配线中，从而加速晶圆级纳米特征尺寸的微凸块和互联的一次性打印，为极紫外（EUV）光刻提供现实的替代方案。

来源：上科大科技发展

论文引用信息：

Liu, B., Liu, S., Devaraj, V. et al. Metal 3D nanoprinting with coupled fields. Nat Commun 14, 4920 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3

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以面投影微立体光刻(PμSL)为例，目前高精度光固化三维(3D)打印已经被广泛应用于快速制造具备微纳特征尺寸的高分辨率聚合物模板结构，用于规模化成形制造特征尺寸小至几微米甚至百纳米级别的定制化3D微晶格机械超材料。然而，聚合物3D打印件单元的本征力学性能在相关对应的尺度上尚没有系统的力学特性研究。特别是当超材料结构件的特征尺寸进入微米/亚微米级别时，缺乏对其弹塑性在对应特征尺寸下的根本理解，将大大限制了其在微/纳米晶格和其他多功能结构超材料应用中的性能评估和可靠应用。然而，受限于目前的微纳尺度力学表征的技术困难，相关研究尚处于起步阶段。

近期，香港城市大学机械工程系的陆洋教授及其合作团队在制造领域的顶尖期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基于实验室客制化的原位微纳米力学实验平台，在光镜下和电镜里，系统研究了PμSL 3D打印聚合物结构单元的“尺寸效应”。

论文链接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac93c2

该研究发现，在特征尺寸（单元杆直径）从20 μm到60 μm范围内，PμSL打印的聚合物微纤维强度与韧性显著提高，表现出明显的尺寸相关的力学行为。而当特征尺寸减小到20 μm，断裂应变高达~100%，断裂强度高达~100 MPa。这种三维光固化打印聚合物的显著“尺寸效应”可以使得PμSL打印微晶格的材料强度和刚度可以在更大范围内进行设计与调控，从而使制备的微晶格机械超材料具有增强的/可调的力学性能，或作为模板按照特定用途优化，并适用于各种结构和多功能应用。

图 1 PμSL 打印的聚合物微纤维样品的制备与原位力学表征

图2 PμSL 打印聚合物微纤维的尺寸相关力学性能及其机制

结合PμSL 打印聚合物的尺寸效应，作者设计并制备出具有相同几何形状、相对密度，不同杆尺寸的微晶格结构。结果表明，杆尺寸为20 μm的微晶格模量为~87MPa，是杆尺寸为60μm的微晶格模量(~43 MPa)的两倍；当晶格屈服后，杆尺寸为20 μm的微晶格应力随应变继续增大，表现出应变硬化特征，而杆尺寸为60 μm的微晶格表现出典型脆性材料应力应变曲线。这也提醒我们在设计微晶格超材料时应该重点考虑聚合物杆结构尺寸。这一结果也为使微晶格单元的材料强度和刚度在很大范围内可以按需调控，为新型微/纳米晶格力学超材料的合理设计和优化提供了基础。

图3 通过结构单元“尺寸效应”来调控微晶格力学超材料结构的整体力学性能

该项成果获得了深圳市科创委基础研究项目、长沙科技局项目及香港城市大学研究项目经费支持。

作者团队：

第一作者：

张文强，香港城市大学机械工程学系博士毕业生，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室(NML)博士后。

通讯作者：

李茂源，华中科技大学材料学院博士后，香港城市大学访问学者；

陆洋，香港城市大学机械工程学系教授，材料科学与工程学系兼职教授，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室(NML)主任。

原文引用：

Zhang W Q, Ye H T, Feng X B, et al. Tailoring mechanical properties of PμSL 3D-printed structures via size effect. Int. J. Extrem. Manuf. 4 045201(2022).

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微3D打印技术
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 微小世界的不可替代

微增材制造一词通常与3D微细加工或高精度增材制造互换使用，但实际上，它们并不是确切的同义词。通常，增材制造更多指的是工业制造环境，3D微细加工是描述所有方法的通用术语，例如在 MEMS 制造中非常普遍和广泛使用的光刻方法（这是一个巨大的成熟市场，并且方法非常成熟）。还有许多其他 3D 微加工方法，例如用于微流体的方法、基于电子束光刻的数字方法等等。

为了说明微型增材制造技术的地位，假设在 3D 打印中，首先构建一个零件并通过点阵列进行数字化描述，其中一个点（即体素）代表一个最小打印单元。体素尺寸范围从纳米级到宏观级。因此，微型 3D 打印过程需要使用微米或亚微米级体素，这对于微型产品的制造至关重要。因此，微型 3D 打印一词是指制造超高精度、微小的零件，这些零件的形状是使用微注塑工艺和其他类型的传统制造工艺无法实现的。

根据3D科学谷，在3D打印技术的发展中有两个不同方向的聚焦点，其中一个聚焦点是大幅面3D打印技术。另一个聚焦点是微观方面的，即能够制造精密、微细器件的3D打印技术。微纳3D打印能制造复杂、精细的器件，这是3D打印技术优势的体现，或将颠覆精密器件制造业。

微小的力量正在改变世界！3D科学谷曾分享过微米级3D打印公司Cytosurge的核心技术来源于苏黎世ETH Zurich理工大学，基于其专利的FluidFM技术开发，制造和销售创新型高精度纳米技术金属3D打印机，该技术代表流体力显微镜技术，并拥有许多在生命科学和生物物理学中的应用。

国内，西湖未来智造的微米级精度的三维精密制造技术，通过将金属、陶瓷、磁性材料、聚合物等集成处理应用，弥补电子、光学领域精密加工中百纳米至百微米的市场空白。

当零件以个位数微米测量到 5 微米的层厚和 2 微米的分辨率时，进入到处理微型 3D 打印过程。有趣的是，一些微增材制造工艺可以制造以纳米 (nm) 为单位测量的部件，比一微米小 1,000 倍。为了更好地可视化这种级别的微制造是什么样的，举例来说人们通常会记住，人类头发的平均宽度为 75 微米，而人类 DNA 链的直径为 2.5 纳米。

在小型化中，对外形尺寸的控制至关重要，微3D打印可以实现“下一个级别”的小型化。具体来说：电子、光学、半导体、医疗设备、医疗工具、微注塑、微流体、传感器这些应用是微3D打印发挥独特价值的领域。

譬如，高精度3D生物打印能够为组织工程、用于细胞研究的定制支架，并适用于许多其他需要精度、速度、材料多样性和无菌性的创新生物医学的微环境。3D微细加工可以使生命科学研究更接近再生医学的概念，以治疗该领域的疾病。例如，波士顿大学的科学家通过双光子聚合 (2PP) 制造的微流控芯片平台开发了一种柔软且具有机械活性的细胞培养平台，用于在可定制的3D微环境中研究心肌组织。这种细胞培养平台允许心脏组织在3D环境中生长，并且可以在芯片垂直壁上的细胞附着位点观察其自组装。集成的电子传感器测量培养的心脏细胞收缩产生的力。此外，研究人员在芯片中集成了一个机械执行器，借助这种致动器，科学家们研究了恒定和动态机械应变对心脏组织的影响。可以期待微3D打印在组织工程、细胞生物学和再生医学中的许多其他令人兴奋的应用。

Quantum X 的集成双光子灰度光刻 (2GL®) 及其基础体素调谐技术能够制造具有亚微米形状精度和小于 5 纳米 (Ra) 表面粗糙度的 2.5D 微结构。
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一般来说，我们认为 10 微米及以下是微增材制造。当然，如果所有这些都在 1-3 微米范围内，那么这就是 micro-AM最准确的定义了。

就像有几种类型的 AM 工艺一样，也有各种类型的 micro-AM 工艺，包括：熔丝沉积 (FFD)、直接墨水书写 (DIW)、直接能量沉积 (DED)、层压物体制造 (LOM)、电流体动力氧化还原打印 (EHDP)、粉末床熔融 (PBF)、基于光聚合的 3D 打印 (P3DP) 和激光化学气相沉积 (LCVD)。

微3D打印技术
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基于树脂的微型 3D 打印工艺由于其在分辨率、质量、再现性和速度方面的优势，目前是市场上最受认可的工艺。此外，DED 和 EHDP 可以实现更高的分辨率。然而，与这些工艺相关的昂贵成本和低制造率限制了它们的应用。然而，由于分辨率有限，它们在实现小型高精度零件或结构方面仍然存在局限性。

与这些方法相比，Nanoscribe的2PP能够制造低至100纳米的最小特征尺寸。根据研究，新型光学方法的发展导致了微增材制造工艺的进步，特别是基于光聚合的3D打印工艺。据专家介绍，使用波长较短的光源（例如 UV 光束）和具有较高 NA（数值孔径）的物镜可以实现更高的分辨率——这通常是 micro-AM 中最突出的挑战之一。

与基于热处理和层压的其他方法相比，光学方法使相邻体素的连接更牢固。光固化等后处理步骤也有助于提高 3D 打印部件的质量。最后，报告称，由于加工区域和照明系统之间的非接触方式，加工原料的激光光斑或光学图案有助于提高稳定性和可重复性。

话虽如此，最广为人知的微增材制造工艺包括 DLP、微立体光刻 (μSLA)、投影微立体光刻 (PμSL)、双光子聚合（2PP 或 TPP）、基于光刻的金属制造 (LMM)、电化学沉积和微尺度选择性激光烧结 (μSLS)。

直接光投射 (DLP) 技术

DLP 技术通过将 DLP 与自适应光学器件的使用相结合，能够实现可重复的微米级分辨率。与通常被称为非常相似的 SLA 的主要区别之一是 SLA 需要使用激光来跟踪一层，而 DLP 使用投影光源一次固化整个层。

微立体光刻 (μSLA)

同样基于光诱导层堆叠制造，微立体光刻 (MPuSLA) 用于通过将光敏聚合物树脂暴露于紫外激光来构建物理组件。

投影微立体光刻 (PμSL)

PμSL 是一种基于区域投影触发光聚合的高分辨率（高达 0.6 μm）3D 打印技术，能够制造覆盖多个尺度和多种材料的复杂 3D 架构。基于此过程的机器通常被认为结合了 DLP 和 SLA 技术的优点。由于其可负担性、准确性、速度以及加工聚合物、生物材料和陶瓷的能力，该工艺迅速发展。

基于光刻的金属制造

在光敏树脂中均匀分散后，金属粉末随后通过用蓝光曝光选择性聚合。3D打印的生坯部件随后在炉中进行烧结获得致密的零件。

双光子聚合（2PP 或 TPP）

这个过程通常被认为是微型 3D 打印机中精度最高的。2PP 是一种直接激光写入方法，无需昂贵的掩膜生成和多次光刻的使用即可工作3D 和 2.5D 微结构的步骤。可以说2PP 在无掩模光刻和高精度增材制造之间发挥了全部潜力。

根据3D科学谷的市场了解，目前2PP 推进了晶圆级平面基板上零件的微制造，例如，在光纤、光子芯片和内部密封的微流体通道应用领域。

2PP需要专用的光敏树脂，以便于处理、实现最佳分辨率和形状精度，并为不同的应用量身定制。目前，基于双光子聚合的高精度 3D 打印非常适合应用设计的快速原型制作，以用于生物医学设备、微光学、微机电系统 (MEMS)、微流体设备、光子封装（例如 PIC）、表面工程项目等。晶圆处理能力使3D微型零件的批量处理和小批量生产比以往任何时候都更容易。

电化学沉积

电化学沉积是一种罕见的不需要任何后处理的微型 3D 打印技术。该过程使用一个称为离子尖端的小打印喷嘴，并将其浸入支持电解质浴中。调节的气压推动含有金属离子的液体通过离子尖端内的微通道。在微通道的末端，含有离子的液体被释放到打印表面上。然后将溶解的金属离子电沉积成固体金属原子。后者随后成长为更大的构建块（体素），直到零件形成。

微尺度选择性激光烧结 (μSLS)

这种基于粉末床融合的增材制造也称为微米级选择性激光烧结 (SLS)，包括在基材上涂上一层金属纳米颗粒墨水，然后将其干燥以生成均匀的纳米颗粒层。此后，激光将纳米颗粒烧结成所需的图案。然后重复该过程，直到创建零件。

 令人着迷的小零件

随着新处理技术的进步，例如双光子灰度光刻 (2GL ®) 以及市场上出现的更高功率激光与改进的硬件（例如载物台和扫描仪）的结合，微增材制造的现状发生了变化。相比之下，其他更为传统的增材制造技术，如 DLP、SLA 和投影微立体光刻 (PμSL) 只能制造更大的结构，然而，当涉及到高分辨率（<1 微米）3D微加工时，它们会遇到几何限制。由于紫外光的固有直接照明，分辨率和设计几何形状受到限制。

根据3D科学谷的市场观察，借助最近推出的 Quantum X align，Nanoscribe为光子封装提供了一种新颖的工业解决方案。通过组件级而不是芯片级的模式场匹配来减少耦合损耗。具有纳米精度自动对准的高精度 3D打印推动了直接在光子芯片和光纤芯上制造微光学元件，并直接在适当位置打印自由曲面微光学元件或衍射光学元件 (DOE)，从而促进光子平台上的优化光学耦合。

Nanoscribe 专有的双光子灰度光刻 (2GL ®) 显着加快了用于光学应用的 2.5D 结构的高精度微加工，例如具有最高形状精度和光学级表面（Ra ≤ 5 纳米）。为了进一步扩大生产规模，Nanoscribe 已经与 EV Group 和 kdg opticomp公司一起试行了两种可靠且经过验证的复制策略。

与任何 3D 打印过程一样，微型3D打印允许其用户从设计自由中受益。光子集成、光学计算和数据通信领域的一个挑战是推进光子组件的对齐和封装。专门的基于硬件和软件的3D打印解决方案可以实现高效的微光耦合。

与通过传统制造工艺制造的相同零件相比，制造一个小零件的速度是令人着迷的。随着小型化微型产品的进步，微3D打印适用于所有处理小型和精密零件的行业。传统上制造小零件的成本一直很高，而微增材制造现在正在提供更便宜且易于使用的解决方案。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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2013年，麻省理工学院Skylar Tibbits等人首次提出了4D打印的概念，即在3D打印的基础上增加了时间维度，使三维物体的形状、功能等特性能够响应外部刺激而随时间发生变化。顾名思义，微纳4D打印是一种将微纳尺度3D打印技术与智能响应材料结合，用于制备亚毫米直至纳米级的刺激响应动态器件的先进制造技术。从宏观到微观，由于物理尺度的急剧缩小，微纳器件对外部刺激的响应形式、响应程度和灵敏性等都展现出与宏观器件的显著差异，因此这一新兴领域受到了研究人员的广泛关注。

华中科技大学熊伟教授课题组面向微纳4D打印领域，从刺激响应类型的角度出发，综述了该领域的最新研究进展，展示了微纳4D打印技术的部分应用，并对该领域的发展进行了总结和展望。本期谷.专栏将对此综述主要内容进行分享。

 微纳4D打印致动方式

1) 磁响应

磁响应因具有穿透能力强、驱动距离远和可控性好等优点被广泛应用于微纳机器人的驱动和控制。近年来，随着材料成型和磁场控制技术的进步，利用磁场实现结构形变成为一个新的发展方向。这种磁致形变过程中结构受到外加磁场的非对称磁矩作用，自身产生形状改变，赋予了磁响应器件更多的控制维度，如图1所示。

图1 磁致形变微结构。（a）单向磁场驱动的仿生纤毛微型机器人；（b）预编程的纳米磁性微型机器人在特殊的磁场序列下产生的形状变化

2) 溶剂响应

微纳4D打印得到的结构通常工作在液体环境或在液体环境下制备而成，溶剂环境本身会对微结构产生直接影响，近年来也有一些科研人员针对4D打印的微纳结构在不同种类溶剂中所引起的响应进行了研究。由于聚乙二醇链与水分子间的氢键作用，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶展现了水/空气环境下的溶胀/消溶胀特性。2019年华中科技大学邓春三等人基于PEGDA复合水凝胶，通过双层结构的不对称性实现了水环境下仿生含羞草、六叶花瓣微结构的可控形变，如图2所示。

图2 水环境下仿生微结构六叶花瓣和含羞草结构的可控形变

单一溶剂控制微纳结构的形状转换往往会限制其适用范围和功能多样性，而一些丙烯酸酯类聚合物在具有不同Hildebrand溶解度参数的溶剂中可以呈现不同的溶胀响应状态。据此，2019年吉林大学Zhang等人基于双重编程的飞秒激光直写技术设计并制备了在丙酮中溶胀、正己烷中收缩的刺激响应性结构。

3) pH响应

pH刺激响应微纳致动在微纳4D打印中具有毫秒级的高响应速度和优异的致动幅度等优点，pH变化诱导结构形变的主要原因是材料中的羧基在酸性溶液中的去离子化或在碱性溶液中的离子化引起了聚合物链静电力，从而实现了体积的膨胀或收缩。

2020年，北京大学Huang等人基于飞秒激光直写技术实现了微型笼、微型伞等可重构复合微机械的4D打印。进一步，该课题组提出了模块化微积木组装的4D打印方式，并实现了蜂窝状、卷状和波浪状等复杂三维结构的原位pH响应致动。在原位运动的基础上，该课题组通过对结构关节进行功率密度编码，构建了以尺蠖为原型的仿生微爬行器，实现了二维平面内的爬行运动，如图3所示。

图3 基于可控微关节结构的4D打印仿生微爬行器

4) 温度响应

温度刺激响应因具有候选材料众多、温度场控制简便等优势而被广泛研究，是目前应用范围最广的一类物理刺激形式。根据响应原理的不同，现有基于温度响应的微纳4D打印的工作可分为以下三类：水凝胶相变、液晶相变和材料热膨胀形变。

水凝胶相变的典型材料是聚异丙烯丙基酰胺（PNIPAM）。在相变临界温度以下时，PNIPAM分子链上的酰胺基与外界水分子存在氢键作用，体系吸水膨胀；在相变临界温度以上时，PNIPAM分子链上的异丙基起主导作用，凝胶表现为疏水性，体积收缩。而液晶弹性体的相变原理不同于水凝胶，提高温度将会使液晶分子由有序的液晶态转化为无序的各向同性态，在液晶指向矢的方向收缩，垂直于指向矢的方向膨胀。材料热膨胀性质的不同也可以诱导温度刺激响应。典型如双层梁结构，加热一对具有不同热膨胀系数的薄层粘接结构可使带状结构弯曲形变，如图4所示。

图4 温度响应微结构。（a）水凝胶致动器折叠和展开；（b）液晶弹性体的双臂梁旋转；（c）金纳米晶/钛块体材料弯曲变形

5) 光响应

利用光诱导4D打印结构进行致动是近年来一种新兴的控制手段，光响应以其高精度、多参量可调等优势迅速成为微纳4D打印领域的研究热点。光刺激响应通常是利用光束精准激发材料的物化效应来诱导结构致动，常用的有光热效应、光化学效应、光电效应和光学力等。

光热效应诱导4D打印结构致动是光响应中一种常见的控制方式。通常研究人员加工出具有交联密度梯度的聚合物结构，然后以激光作为热源精准地加热材料诱导结构致动。在聚合物材料中掺杂碳纳米管、金属纳米颗粒等功能性材料可有效提高光-热转化效率，缩短响应时间，如图5所示。

图5 光响应致动微结构。（a）光热响应致动微结构；（b）掺杂Fe3O4纳米颗粒的水凝胶微致动器近红外光响应

光化学效应也是光响应中一种常见的控制方式，通常被应用于掺杂偶氮苯染料的液晶弹性体材料。通过紫外光辐照，偶氮苯发生反式-顺式的异构化反应，带动液晶分子从有序的液晶态转化为无序的各向同性态，从而引发液晶弹性体发生形变。近年来报道的一些新颖的光响应致动微纳器件，例如由光电效应激发新型的表面电化学致动器，以及由马兰戈尼效应与光热效应联合驱动的透明水凝胶致动器等。上述器件所展示的控制方法与机理进一步丰富了光响应的控制维度，增强了光响应的致动性能，拓展了光响应的应用范围。

 微纳4D打印技术的应用

近年来涌现的新型驱动方式实现了微纳器件更为高效复杂的形变，推动了微纳4D打印实用化的进程。在生物医学领域，可以在外场作用下实现细胞运输、靶向药物递送等功能；在微机械领域，可以实现步态行走、蠕动等仿生运动以及目标识别抓取、转运等功能性操作；在光学领域，可实现可调谐环形谐振器、可调焦距与视场的人工复眼等结构，如图6所示。

图6 微纳4D打印技术的应用。（a）用于靶向药物递送的微型载药小鱼；（b）仿生四足微步行器；（c）可调焦距与视场的人工复眼结构

 总结与展望

微纳4D打印是目前最契合动态响应微纳器件需求的一项先进制造技术，丰富的材料体系和多样化的控制手段，在生物医学、微机电系统、柔性电子、可重构表面和超材料等众多前沿领域都有着巨大的应用前景，因此发展微纳4D打印技术具有重要意义。

综上所述，微纳4D打印在动态响应微器件的开发上展现了巨大的应用前景，同时也存在着巨大的挑战。未来的研究可以从以下几个方面进行突破：1）发展更高精度和更高效率的微纳加工方法；2）开发高性能、良好生物相容性的响应性材料；3) 发展和优化多维度驱动控制手段，实现更高效、更精准的个体控制以及更智能化的集群控制；4）强化从实验室研发到实际应用场景的衔接，实现微纳4D打印技术的落地应用。

l 综述论文发表于：
中国激光, 2022, 49(10): 1002701, 网络出版: 2022-05-12

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项目专家听取了项目牵头单位——上海普利生机电科技有限公司（以下简称上海普利生）、项目负责人陈云飞教授关于项目的汇报演讲，严格按照项目验收要求，对整个项目进行审阅并考察了项目相关资料及项目实际实施情况，经过专家组专家们的质询、讨论，一致认为该项目完全符合验收标准，同意通过项目综合绩效评价。

© 普利生

据悉，该项目于2018年7月25日由科技部国家高技术研究发展中心批准立项，由上海普利生作为本项目的牵头单位，以独立知识产权的原创技术为基础，牵头东南大学、华中科技大学、南京大学、中国科学技术大学、南京航空航天大学、长春理工大学、华东理工大学等7所高校，以及苏州赛菲集团有限公司，组成研发团队，从共性技术、前沿技术、关键技术与装备、应用示范四个层次出发，攻破微纳领域多项技术壁垒。

© 普利生

根据上海普利生，此次牵头申请的国家重点研发专项是我国在微纳增材制造方向的第一个重大专项。

微纳3D打印技术和“传统”3D打印的主要区别在于微纳3D打印的精度能达到细观、微观和纳观（即十亿分之一米）级别。这一特性使得微纳尺度3D打印能制造处于微观级别的器件，如微流控芯片，细胞支架，微传感器等。并且大幅度地降低了制造成本，以极低成本实现微纳器件的一体化智能打印制作。

社会发展需要科学技术的推动，而关于微纳方面的研究一直是世界科学技术的前沿，可以获得和宏观尺度下完全不同的特性，传统工艺目前往往采用和芯片制造类似的mems加工工艺，成本非常高昂，即使这样，面对复杂结构也无法有效实现。普利生微纳3D打印技术能够克服这些挑战，使复杂部件的定制化更加容易。根据普利生的数据，该技术的生产速度较“双光子微纳3D打印技术”快上千倍。

上海普利生牵头的《微纳结构增材制造工艺与装备》的项目，促进了微纳打印技术的良好发展。上海普利生表示，未来将会基于现有优势继续深耕微纳领域，进一步探索、改进微纳相关工艺与设备，为国家“十四五”目标的实现贡献力量，助力推行“科技强国”的宏伟愿景。

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