2025年CNS大满贯！3D打印技术，成为“年度关键词”

3D打印，也称增材制造，是一种通过逐层叠加材料来构建三维物体的数字化成型技术。它主要包含几大类型：光固化打印利用激光或紫外光使液态树脂逐层固化，精度极高，适合制造精密零件和微纳器件；熔融沉积打印将热塑性材料加热挤出，成本低廉，广泛应用于原型制作和教育；选择性激光烧结通过激光熔化粉末材料，可直接打印金属部件；生物打印则使用细胞和生物墨水，能打印活性组织和器官模型。

设计即制造！2025年，3D打印技术，CNS正刊连发，拿下大满贯，持续“霸榜”，成为了“年度关键词”！在此，EFL特为您梳理2025年十大前沿突破（涵盖多篇正刊），带您把握3D打印技术变革的核心脉搏：

1.GRACE系统：自适应环境感知的体积3D打印

Adaptive and context-aware volumetric printing

期刊: Nature (IF=48.5)

发表时间: 2025年9月3日

研究亮点：

（1）首次将3D成像、计算机视觉与参数化建模深度融合，创成式、自适应、环境感知3D打印(GRACE)系统

（2）光片显微镜实时扫描打印体积，DBSCAN算法自动识别细胞/微球位置，秒级生成靶向血管样网络，分支精度达450±20μm

（3）突破不透明特征阴影效应难题，OSMO优化算法校正光路遮挡，打印精度提升3倍(r.m.s误差从0.50降至0.18μm)

（4）生物打印中实现细胞位置驱动的自适应灌注，胰岛β细胞功能提升3.2倍，自动对齐多组织骨软骨模型，细胞存活维持4周以上

参考资料：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09436-7

2.双光子聚合3D打印微离子阱赋能量子计算

3D-printed micro ion trap technology for quantum information applications

期刊: Nature (IF=48.5)

发表时间: 2025年9月3日

研究亮点:

（1）首次采用双光子聚合(2PP)技术制造微型化3D Paul离子阱，兼顾宏观3D阱的高性能与表面阱的可扩展性

（2）实现2-24MHz超高径向捕获频率，多普勒冷却即可达平均声子数n=0.5，单比特门误差率低至10^-4量级

（3）双量子比特门保真度达0.978±0.012，两离子晶体存储时长超7分钟，突破表面阱的效率瓶颈

（4）设计自由度极高，可打印复杂3D电极结构、水平阱、X型离子穿梭结，阵列密度潜力超1000阱/cm2，与集成光子电路兼容

参考资料：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09474-1

3.可循环光聚合物网络实现100%回收效率3D打印

Circular 3D printing of high-performance photopolymers through dissociative network design

期刊: Science (IF=45.8)

发表时间: 2025年4月11日

研究亮点:

（1）首创二硫代缩醛键动态解离化学，实现光聚合物网络可聚合寡聚体的可逆转化，无需添加新单体即可100%循环打印

（2）模块化调控网络主链，成功制备弹性体、结晶聚合物和硬质玻璃态聚合物，机械韧性远超现有可回收材料

（3）溶剂免、后固化免的环保工艺，湿度不敏感，适用于牙科矫正器、金属铸造牺牲模具等场景，生命周期评估显示全方位环境效益优势

（4）连续3次循环再打印后材料性能保持稳定，玻璃化转变温度、力学性能、热稳定性几乎不变

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads3880

4. 界面键合增强3D打印热电材料制冷性能

Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials

期刊: Science (IF=45.8)

发表时间: 2025年2月21日

研究亮点:

（1）挤出式3D打印实现室温下p型(Bi,Sb)Te的zT值1.42和n型AgSe的zT值1.3，达国际领先水平

（2）创新油墨配方：AgSe利用超离子相变自键合，BST材料通过Bi纳米颗粒+SbTeChaM原位反应形成界面焊接，孔隙率达50%仍保持优异导电性

（3）32对热电制冷器实现空气中50°C制冷温差(COP=3.8)，真空中达64°C，连续运行7天/200次循环性能稳定

（4）规避传统铸锭切割能耗与废料，打印支柱直径1mm、高0.8mm，为可穿戴设备、芯片制冷提供可扩展低成本方案

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

5. 器官级合成血管的快速模型引导设计

Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing

期刊: Science (IF=45.8)

发表时间: 2025年6月12日

研究亮点:

（1）算法突破：约束构造优化(CCO)加速230倍，生成8000终端血管树仅需15分钟(传统方法需60小时)，支持百万级血管网络(直径1.2mm→5μm)

（2）首创隐式体积法处理任意复杂几何(双心室、脑回)，非凸域灌注性能远超格点结构，最低血流分支提升2-3个数量级

（3）多保真度CFD自动化：3D有限元、1D降阶、0D电路类比无缝切换，脉动流模拟与理论波形偏差<0.03mmHg

（4）嵌套生物打印验证：血管化环形组织核心区细胞存活率37.8%(无灌注仅0.4%)，7天培养存活细胞数提升417倍，μCT显示打印偏差仅~100μm

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152

6.细胞密集组织的生物材料极简光激活生物打印

Biomaterial-minimalistic photoactivated bioprinting of cell-dense tissues

期刊: Cell (IF=42.5)

发表时间: 2025年12月8日

研究亮点:

（1）首创CLINK技术，利用氧化甲基丙烯酸化透明质酸(OMHA)交联剂修饰活细胞膜，将细胞本身转化为可直接光交联的生物墨水，实现无支架、超高细胞密度（高达~10 cells mL1）的数码光处理(DLP)3D生物打印

（2）突破传统水凝胶打印的细胞密度限制，成功构建功能性神经回路（7天形成轴突连接）和自发搏动的"迷你心脏"（2天内同步收缩），以及血管化肝脏和皮肤移植物等复杂组织结构

（3）打印组织植入小鼠体内后，通道化结构显著促进宿主血管化整合和再生，人源白蛋白等蛋白分泌水平显著高于传统方法，为再生医学应用奠定基础

（4）开发0.25wt%海藻酸盐临时稳定策略，解决超高密度结构早期易解体问题，在细胞间连接形成后可完全去除，保持生物材料极简特性

参考资料:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.012

7.热固性材料自立结构激光辅助直接3D打印

Laser-assisted direct three-dimensional printing of free-standing thermoset devices

期刊: Nature Electronics (IF=40.9)

发表时间: 2025年11月7日

研究亮点:

（1）开创性集成原位激光诱导固化与直写打印技术，将1064nm激光聚焦在微尺度聚合物射流上，利用光热效应使热固性材料在<0.25秒内完成交联，无需支撑材料即可打印复杂悬空结构

（2）实现50μm精细分辨率，通过调节激光功率密度（9.2-26.6 W cm2）可实时调控交联密度，使机械性能（杨氏模量）在0.15-1.5MPa范围可调达10倍，电导率调控范围达20倍

（3）适用于PDMS、Ecoflex、Dragon Skin等多种低粘度热固性材料，成功打印出金字塔、螺旋弹簧、立体花朵等具有大倾角（最大90°）悬空特征的复杂3D结构

（4）应用于制造具有刚度梯度的可拉伸电子器件，有效缓解应力集中；开发高灵敏度柔性传感器（检测限156Pa）和磁控软体机器人，推动柔性电子与软机器人领域发展

参考资料:

https://doi.org/10.1038/s41928-025-01491-2

8.组织工程与生物打印中胶原的瞬时组装

Instant assembly of collagen for tissue engineering and bioprinting

期刊: Nature Materials (IF=38.5)

发表时间: 2025年6月6日

研究亮点:

（1）提出TRACE（可调快速胶原元件组装）方法，利用大分子拥挤效应（MMC）使未修饰的I型胶原在接触惰性拥挤剂（PEG8000）瞬间（<1秒）完成液-凝胶转变，实现生理条件下胶原的时空精确控制

（2）实现从微观到宏观跨尺度高效制造：微升至毫升级胶原微盘、微纤维束（μ-bundles）可通过移液或喷涂快速制备；宏观厘米级胶原条带通过微流控多通道装置数秒内成型，避免细胞沉降

（3）创新的嵌入式生物打印技术，在含PEG的颗粒支撑浴中实现低浓度胶原（2 mg/mL）的高精度3D打印，打印后3分钟即可释放，相比传统方法凝胶时间缩短90%以上

（4）成功打印含hiPSC衍生心肌细胞的毫米级心室结构，14天内自组织成功能性腔室并维持同步搏动长达77天，实现流体泵送功能（峰值流速7.8 mm/s），为心脏组织工程提供新范式

参考资料: 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02241-7

9.可3D打印的阴茎灌注模型用于阴茎生理学研究及恢复兔与猪的勃起功能

3D-printed perfused models of the penis for the study of penile physiology and for restoring erectile function in rabbits and pigs

期刊: Nature Biomedical Engineering（IF=26.6）

发表时间: 2025年3月4日

研究亮点:

（1）首创功能性仿生阴茎海绵体模型：通过数字光处理(DLP)3D打印技术，构建包含海绵体动脉、窦状隙、静脉丛和白膜的完整血管网络模型，首次在体外再现了依赖静脉闭塞效应的生理勃起机制，灌注流速90ml/min时实现均匀膨胀1.45倍

（2）病理模型可视化突破：通过缩小动脉直径模拟动脉粥样硬化性勃起功能障碍(ED)，通过植入高模量斑块模拟佩罗尼氏病(PD)弯曲变形，首次实现病理勃起过程的体外动态可视化和定量分析

（3）创新性应变限制性白膜结构：采用超高分子量聚乙烯纤维嵌入水凝胶基质，模拟天然白膜的卷曲胶原纤维，在40-50%应变时实现J型应力-应变响应，有效阻止局部过度变形，使模型膨胀控制在生理范围(长度1.45倍，直径1.3倍)

（4）大动物体内功能完全恢复：在兔和猪海绵体缺损模型中，植入内皮细胞种子化的3D打印支架，12周后ICP/MAP比值恢复至正常的90%，MRI显示结构完整重建，交配实验证实100%受孕率，实现从结构修复到生殖功能的全面恢复

（5）高性能生物相容性材料体系：开发丙烯酸-明胶-PEGDA复合水凝胶，拉伸强度>1.4MPa，循环100次后应力恢复率>90%，弹性模量25kPa匹配天然组织，体内植入后炎症反应轻微，血液指标正常

参考资料：

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01367-y

10.面向器官级投影式三维生物打印的生物墨水设计

Bioink design for organ-scale projection-based 3D bioprinting

期刊: Nature Protocols（IF=16）

发表时间: 2025年6月30日

研究亮点:

（1）器官级打印稳定性突破：通过Ficoll 400同步调节生物墨水折射率(1.36-1.39)与密度匹配细胞质，结合液体石蜡油封工艺，使打印过程稳定超过80分钟，解决了细胞沉降和水分蒸发导致的打印失败问题

（2）细胞活性保障体系：创新性添加丝氨酸蛋白酶抑制剂AEBSF(0.25mM)中和残留胰酶，采用NaOH滴定将pH精确回调至生理水平(pH 7.2)，使1000万/ml高密度细胞在2小时打印过程中存活率>92.5%

（3）无需改造设备的通用方案：基于GelMA-PEGDA双组分生物墨水，曝光时间15秒/层，在商用投影式生物打印机上实现10mm×10mm×10mm器官级结构制造，为实验室用户提供经济、可扩展的标准化方案

（4）多细胞类型精准共打印：成功构建包含人脐静脉内皮细胞(HUVEC)、大鼠皮肤成纤维细胞(RS1)和血管平滑肌细胞(USMC)的阴茎海绵体模型，7天培养后细胞活力82.5%，免疫荧光显示三种细胞形成完整覆盖并增殖

参考资料：

https://doi.org/10.1038/s41596-025-01221-0

结语

从"设计即制造"的理念到CNS大满贯的现实，2025年的3D打印技术已不再是实验室里的精密工具，而是重塑生命、材料与制造范式的革命性力量。这些跨越Nature、Science、Cell正刊及子刊的研究，不仅各自攻克了领域内的难题，更在方法论上形成共振——它们都遵循"结构-材料-功能"一体化设计原则，都强调跨学科深度融合，都致力于从概念验证走向实用转化。2025年，3D打印技术终于完成了从原型制造到生命制造、从快速成型到精准功能、从一次性使用到可持续循环的三重跃迁。

诚然，挑战依然存在：厘米级器官的血管化网络尚难复刻，长期体内功能稳定性仍需验证，标准化培养体系与监管路径亟待建立。但值得期许的是，随着材料设计的分子级精细化、细胞调控机制的深入解析、以及器官组装模块化策略的成熟，3D打印必将在再生医学、药物研发、个性化治疗等赛道持续发力。下一个十年，"器官按需打印"将从科幻照进现实，设计即制造，制造即生命——这不仅是技术的胜利，更是人类向生命奥秘与健康未来迈出的关键一步，让我们敬请期待！

来源：EngineeringForLife

声明：仅代表作者个人观点，用于研究用途，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

往期推荐

26年可穿戴电子第一篇Nature！

可穿戴智能织物又一Nature子刊！

清华李舟教授等人最新综述！压电纳米发电机赋能柔性电子

可拉伸曲率传感器最新突破！实现弯曲-拉伸解耦与高精度运动捕获

3D打印再上维度！4D打印无触发形状记忆水凝胶

视频号：##柔性电子那些事