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3D打印與傳統表面工程技術相結合，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、導電性等，從而拓展其在生物醫藥、結構工程、柔性電子等領域實現功能器件的制造。近年來，該技術逐漸成為智能制造的重要策略之一。此外，相比于開發特定的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計、低成本、省時、易于執行等優勢，使其受到廣泛關注。

圖1 表面功能化3D打印及其應用示意圖

近年來，中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員帶領的3D打印摩擦器件研究團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，利用表面引發自由基聚合（SI-ATRP）等方法接枝聚合物刷對3D打印器件進行表面功能化改性，實現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）的調控，并成功實現了高效的油水分離器件構筑（Adv. Mater. Interfaces,2016, 3, 1600015; Polymers 2019, 11, 774）；i3DP結合無電沉積（ELP）技術實現了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，實現了3D打印輕質高強復合結構材料（Nano-structures & Nano-objects, 2018, 16, 420-427），并發展了在彈性導體、吸聲、減震等領域具有較好應用潛能的結構化超輕金屬泡沫（ACS Appl. Mater. Interfaces,2014, 6, 2583-2587）。此外，他們采用多材料3D打印結合表面化學工程實現了具有優異廢水中有機污染物催化降解性能的MOFs負載多孔陶瓷催化材料與器件（Chem. Eng. J., 2020, 397, 125392）。

近日，該研究團隊在Journal of Materials Chemistry C上發表了題為“Surface functionalization-a new functional dimension added to 3D printing”(2020,8,12380-12411)的綜述文章。文章首先系統地總結了適用于3D打印表面功能改性的方法，主要包括物理化學刻蝕、物理化學沉積、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、力學增強、催化活性等，隨后詳細討論了近年來表面功能化3D打印策略在生物醫藥、電子器件、智能傳感系統、水環境修復、電化學能源以及催化反應工程等領域的應用示范，最后深入地闡述了表面功能化3D打印面臨的挑戰和未來的應用前景。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基金以及中科院前沿科學重點研究計劃的支持。

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】中國科學院蘭州化學物理研究所：http://www.licp.cas.cn/sy2018/xwdt/ttxw/202010/t20201026_5722072.html