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3D打印與傳統(tǒng)表面工程技術(shù)相結(jié)合，即表面功能化3D打印（Surface functionalized 3D printing，圖1），能賦予3D打印材料與器件新的功能特性，包括潤濕性、生物兼容性、導(dǎo)電性等，從而拓展其在生物醫(yī)藥、結(jié)構(gòu)工程、柔性電子等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)功能器件的制造。近年來，該技術(shù)逐漸成為智能制造的重要策略之一。此外，相比于開發(fā)特定的3D打印功能材料，表面功能化3D打印策略具有靈活的表面功能設(shè)計、低成本、省時、易于執(zhí)行等優(yōu)勢，使其受到廣泛關(guān)注。

圖1 表面功能化3D打印及其應(yīng)用示意圖

近年來，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所王曉龍研究員帶領(lǐng)的3D打印摩擦器件研究團(tuán)隊開展了一系列表面功能化3D打印的研究工作。他們首次提出了“i3DP”概念，即Initiator-integrated 3D Printing，利用表面引發(fā)自由基聚合（SI-ATRP）等方法接枝聚合物刷對3D打印器件進(jìn)行表面功能化改性，實(shí)現(xiàn)3D打印材料表面潤濕性（Chem. Commun., 2013, 49, 10064），抗菌性（J. Mater. Chem. B, 2013, 1, 6644–6649）的調(diào)控，并成功實(shí)現(xiàn)了高效的油水分離器件構(gòu)筑（Adv. Mater. Interfaces,2016, 3, 1600015; Polymers 2019, 11, 774）；i3DP結(jié)合無電沉積（ELP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D打印材料與器件表面金屬化，通過聚合物表面金屬化增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了3D打印輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料（Nano-structures & Nano-objects, 2018, 16, 420-427），并發(fā)展了在彈性導(dǎo)體、吸聲、減震等領(lǐng)域具有較好應(yīng)用潛能的結(jié)構(gòu)化超輕金屬泡沫（ACS Appl. Mater. Interfaces,2014, 6, 2583-2587）。此外，他們采用多材料3D打印結(jié)合表面化學(xué)工程實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異廢水中有機(jī)污染物催化降解性能的MOFs負(fù)載多孔陶瓷催化材料與器件（Chem. Eng. J., 2020, 397, 125392）。

近日，該研究團(tuán)隊在Journal of Materials Chemistry C上發(fā)表了題為“Surface functionalization-a new functional dimension added to 3D printing”(2020,8,12380-12411)的綜述文章。文章首先系統(tǒng)地總結(jié)了適用于3D打印表面功能改性的方法，主要包括物理化學(xué)刻蝕、物理化學(xué)沉積、表面自組裝聚合以及表面接枝等，以及這些表面工程處理方法能夠賦予3D打印材料獨(dú)特的表面功能特性，例如潤濕性、生物兼容性及生物活性、抗菌活性、金屬化、力學(xué)增強(qiáng)、催化活性等，隨后詳細(xì)討論了近年來表面功能化3D打印策略在生物醫(yī)藥、電子器件、智能傳感系統(tǒng)、水環(huán)境修復(fù)、電化學(xué)能源以及催化反應(yīng)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用示范，最后深入地闡述了表面功能化3D打印面臨的挑戰(zhàn)和未來的應(yīng)用前景。論文第一作者為博士生蔣盼，通訊作者為王曉龍研究員。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金以及中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃的支持。

參考資料：

【1】Surface functionalization – a new functional dimension added to 3D printing,Pan Jiang,Zhongying Ji, Xiaolong Wang  and  Feng Zhou,https://doi.org/10.1039/D0TC02850A

【2】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所：http://www.licp.cas.cn/sy2018/xwdt/ttxw/202010/t20201026_5722072.html