【引語】
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三維打印自上世紀(jì)80年代被提出開始，受到了研究者們的廣泛關(guān)注。截止目前，有關(guān)于3d printing的SCI論文數(shù)已高達(dá)10000篇。但其中影響因子大于20的篇數(shù)僅為100多篇。從以下3d printing在各影響因子發(fā)表數(shù)量的統(tǒng)計(jì)圖表中，可發(fā)現(xiàn)，三維打印相關(guān)研究發(fā)表最多的雜志是影響因子5分以下雜志，占比高達(dá)70%左右。此外，影響因子5到10分的論文數(shù)量占總數(shù)量的20%左右，而影響因子大于20的論文數(shù)量占比僅為百分之二左右。當(dāng)然，要說明的是，在生物材料領(lǐng)域中頂級(jí)期刊Biomaterials和Acta Biomaterialia,影響因子也不過8分和6分多。但這些雜志上發(fā)表的論文質(zhì)量已經(jīng)處于相當(dāng)高的水準(zhǔn)了！ 因此，姑且以影響因子5分為分界線，在三維打印的相關(guān)研究中有約四分之一的研究在重要性和創(chuàng)新性上均是處于較高水準(zhǔn)的。
其中三維打印涉及的領(lǐng)域主要集中在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，如三維打印骨組織工程支架，三維打印軟骨組織，以及三維打印器官等。此外，三維打印雖然在航空航天和汽車制造等領(lǐng)域雖然也有廣泛的應(yīng)用，但相關(guān)的研究論文卻并不常見。近年來，三維打印打印超級(jí)電容器，三維打印石墨烯等新材料也受到了越來越廣泛的重視。將三維打印應(yīng)用于能源領(lǐng)域已成為當(dāng)下熱門的研究課題。
過去十年是三維打印早期及最火的年代。隨著研究者們?cè)絹碓蕉啵⑶铱晒┐蛴〉牟牧弦苍缫驯谎芯康煤軓氐?。近年來，三維打印似乎也陷入了瓶頸。但依然有些大佬們用極具創(chuàng)新的材料或?qū)嶒?yàn)在頂級(jí)期刊上發(fā)表著他們的研究成果。讓我們來看看幾個(gè)具體實(shí)例，看看什么樣的三維打印才能發(fā)影響因子20以上的雜志。
1.UC伯克利-Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction
Brett E. Kelly等人1月份在Science雜志上發(fā)表了利用拓?fù)渲亟ɡ碚摵驮霾闹圃旒夹g(shù)快速制備思想者模型的文章，瞬間引發(fā)科研界的大量關(guān)注。該團(tuán)隊(duì)研究人員開發(fā)了一種計(jì)算軸向光刻（CAL）方法，該方法將光固化立體印刷式三維打印技術(shù)推向了新的高度，堪稱里程碑式的創(chuàng)造。以“思想者”為例，該團(tuán)隊(duì)研究人員首先對(duì)其進(jìn)行三維模型的重建，包括2D的傅里葉變換。選擇甲基丙烯酸酯明膠水凝膠為打印漿料。利用CAL制造系統(tǒng)把一組二維圖像，從不同的角度投射出來，這種多角度的曝光疊加，可以讓光敏液體固化成所需要的幾何形狀。這套系統(tǒng)打印速度快，精度高，能制備各種復(fù)雜形狀模型，將帶來極大的科技應(yīng)用價(jià)值。
Fig. 1 CAL volumetric fabrication
全文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/30/science.aau7114.full
2.加州大學(xué)圣地亞哥分校-Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair
利用三維打印的方式打印組織器官是目前生物打印領(lǐng)域最熱門最前沿的研究方向。如何構(gòu)建復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)，這對(duì)于指導(dǎo)細(xì)胞生長和促進(jìn)組織發(fā)育至關(guān)重要。這其中，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，三維打印中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)結(jié)構(gòu)方面的論文依然罕見。加州大學(xué)圣地亞哥分校的Jacob Koffler等人使用微尺度連續(xù)投影光刻方法(μCPP)來創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并探索了其在脊髓再生醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。該論文發(fā)表在Nature Medicine上，影響因子32.62。μCPP可以利用仿生水凝膠打印脊髓支架，并且可根據(jù)人類脊髓病變定制不同大小和幾何圖形。該課題組研發(fā)的脊髓支架裝載神經(jīng)祖細(xì)胞(npc)后，能夠支持軸突再生，修復(fù)脊髓損傷。因此，該三維仿生支架提供了一種通過精準(zhǔn)醫(yī)療促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生的手段。
Fig. 2 The 3D-printed scaffold mimics the spinal cord architecture.
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41591-018-0296-z
3.東華大學(xué)-3D Printing of Tunable Energy Storage Devices with Both High Areal and Volumetric Energy Densities
近年來由于人類對(duì)能源危機(jī)的高度重視，開發(fā)具有高面積和高容量的先進(jìn)超級(jí)電容器一直以來是研究的熱點(diǎn)。當(dāng)超級(jí)電容器與三維打印兩大熱門研究方向碰撞到一起，那引起的反響必然是極大的。東華大學(xué)Tingting Gao等人采用三維打印技術(shù)制備出具有高密度能量的碳復(fù)合材料超級(jí)電容器，該研究成果發(fā)表在Advanced energy materials上，影響因子21.88分。該研究團(tuán)隊(duì)選取了碳/碳納米管/還原氧化石墨烯(AC/CNT/rGO)復(fù)合材料作為打印漿料，利用擠出式直接書寫打印的方式，制備緊密堆疊、結(jié)構(gòu)整齊的電容器。值得提出的是，當(dāng)前常溫?cái)D出式三維打印技術(shù)常采用聚合物作為粘結(jié)劑，以賦予漿料良好的適合打印的流變性能。但聚合物的添加會(huì)極大地降低電容器的能量儲(chǔ)備。為最大限度地開發(fā)高容量密度的超級(jí)電容器，該團(tuán)隊(duì)致力于尋找開發(fā)不使用聚合物的打印漿料，顯然他們成功了，為高能量密度電化學(xué)儲(chǔ)能裝置提供了嶄新的思路。
Figure 3. 3D printing process and rheological properties of inks
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802578
4.上海硅酸鹽研究所-3D-printed scaffolds support cartilage and bone growth
由于軟骨的自愈能力較差，這類關(guān)節(jié)軟骨損傷對(duì)骨科和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)尤其具有挑戰(zhàn)性，因此相關(guān)方面突破性的研究也是材料學(xué)界和醫(yī)學(xué)界關(guān)注的重點(diǎn)。影響因子24.54的Materials Today上報(bào)道了Chen et al發(fā)表在biomaterials上的一篇文章（Chen et al., Biomaterials (2018),https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.005）。該文章介紹了中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所吳老師課題組制備的純相硅酸鋰鈣(簡稱Li2Ca4Si4O13或L2C4S4)材料及其在軟骨修復(fù)方面的應(yīng)用前景。該小組設(shè)計(jì)了一種簡單的濕化學(xué)溶膠-凝膠法來生產(chǎn)高質(zhì)量的生物陶瓷L2C4S4粉體，利用三維打印的方式制備形狀可控的支架。三維打印的方式使得支架的孔隙度和孔徑可以得到高度的控制，研究人員將支架的孔徑設(shè)置為170微米到400微米不等，所得到的支架強(qiáng)度是其它3d打印生物陶瓷支架的2-3倍，力學(xué)性能與天然骨骼相當(dāng)。支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性足以為初始骨組織的形成提供良好的支撐，而氣孔則為細(xì)胞的遷移或運(yùn)輸提供了一條便捷的路徑，也為骨的生長提供了足夠的空間。L2C4S4支架在體內(nèi)表現(xiàn)出明顯的磷灰石礦化和軟骨下骨生長，但一旦完成其工作，便可進(jìn)行生物降解。雙活性生物陶瓷L2C4S4支架為骨軟骨缺損的再生提供了一種智能的解決方案。
Figure 4. Abstract picture of article
全文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118310423?via%3Dihub
5.蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院-Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures
Silvan Gantenbein等人于2018年在Nature上，發(fā)表了三維打印多級(jí)分層液晶聚合物的研究。飛機(jī)、車輛和生物醫(yī)學(xué)植入物等均需要高強(qiáng)度，但又不能太過沉重，因此具有理想力學(xué)強(qiáng)度但同時(shí)質(zhì)量輕便的材料一直是各領(lǐng)域爭先研究的重點(diǎn)。纖維增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)具有很高的剛度和強(qiáng)度，但它需要耗費(fèi)大量的能源和勞力來制造，而且易發(fā)生脆性斷裂，難以成形和回收。這與骨骼、絲綢和木材等輕質(zhì)生物材料形成了鮮明的對(duì)比，這些材料通過定向自組裝形成復(fù)雜的層次化形狀，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并能夠循環(huán)集成到環(huán)境中。該研究團(tuán)隊(duì)像我們展示了一種三維(3D)打印方法，以生成具有層次結(jié)構(gòu)、復(fù)雜幾何形狀和前所未有的剛度和韌性的可回收輕量級(jí)結(jié)構(gòu)。它們的特點(diǎn)是在熔融原料擠壓過程中，液晶聚合物分子自組裝成高度定向的結(jié)構(gòu)域。通過將分子區(qū)域定位在打印路徑上，能夠根據(jù)預(yù)期的機(jī)械應(yīng)力來增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)，從而使其剛度、強(qiáng)度和韌性在數(shù)量級(jí)上超過最先進(jìn)的3d打印聚合物，并可與性能最高的輕質(zhì)化合物媲美。
Fig. 5: Printing hierarchical, thermotropic LCPs using fused deposition modelling.
全文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0474-7
單純地以三維打印為創(chuàng)新點(diǎn)打印材料已不再是發(fā)論文的通行證。三維打印技術(shù)已發(fā)展相對(duì)成熟，和模具成型、冷凍干燥、靜電紡絲等方法一樣，三維打印只是一種加工制造的技術(shù)。未來的創(chuàng)新點(diǎn)，一是在于技術(shù)方面的創(chuàng)新。像上文Science上發(fā)表的軸向光刻打印一樣，能否改進(jìn)三維打印成型技術(shù)，使其速度更快、精度更高，是一個(gè)重要的突破點(diǎn)。另一方面，如何尋找或制備更多能適用于三維打印的材料，依然是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，如何設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)尺寸、三維打印出特定形狀的支架，并系統(tǒng)研究支架材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)，解決三維打印支架形狀易收縮問題也是不錯(cuò)的研究方向，Science上也著重提出過Shrinking problem in 3d printing。此外，將三維打印制備得到的支架進(jìn)行更全面系統(tǒng)的體外及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)的深度，也容易讓你的研究發(fā)表在頂級(jí)期刊上。能源領(lǐng)域，由于能源最近是大熱的研究方向，因此將三維打印與新能源材料結(jié)合起來，尋求其在儲(chǔ)能、儲(chǔ)電方面的應(yīng)用，將具有極大的研究及應(yīng)用價(jià)值。近兩年Advanced materials 和Advanced energy materials發(fā)表的三維打印相關(guān)論文大部分都是針對(duì)于能源領(lǐng)域的。
看到科研大佬們的論文，有沒有受到啟發(fā)呢，期待你的文章也出現(xiàn)在top雜志上！
用3D打印房子已經(jīng)不是事兒，但你敢住嗎？
http://www.cailiaoniu.com/112629.html
本文由材料人專欄作者杜老師供稿，材料人編輯部Alisa編輯。
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