清华刘静/北航王雪林The Innovation/AFM：提出统一性液态金属3D打印理念，构建通用型泛介质增材制造中心

近日，清华大学刘静团队联合北航王雪林在《Advanced Functional Materials》期刊发表了一篇题为“普适性液态金属3D打印：从气相、液相到固相介质(Ubiquitous Liquid Metal 3D Printing: From Gas, Liquid to Rigid Media)”的论文，全面评述了近年来兴起的液态金属3D打印方法的提出背景和发展脉络，系统归纳了不同时期衍生的可在气体、水、液体、软物质、生物组织乃至刚性介质中工作的液态金属3D打印原理及其应用问题，提炼和剖析了液态金属墨水与周围介质之间的相互作用规律与科学问题，特别阐述了通过主动引入周围介质与液态金属间的物理化学作用实现特定功能器件制造的基本路径，继而提出了具有统一意义的普适性液态金属3D打印理论框架。进一步地，团队将打印对象全面扩展到更广范围如各种熔点的金属及复合材料，提出了集合所有液态金属打印技术、墨水材料及介质环境于一体的泛介质3D打印体系，构建了有通用性意义的增材制造中心技术框架，相应文章以“泛介质液态金属3D打印(Pan-Media liquid metal 3D printing)”为题发表于《The Innovation》期刊。这种泛介质打印思想突破了现有技术瓶颈，可按需实现各种材料和复杂功能器件的构筑，将进一步推动智能制造与定制化加工技术的普及化发展。以上论文中，清华大学生物医学工程学院博士生单晓晖和冯卫辰为共同第一作者，清华大学生物医学工程学院刘静教授和北京航空航天大学医学科学与工程学院王雪林助理教授为共同通讯作者。

1．异军突起的液态金属3D打印

自20世纪80年代3D打印技术诞生以来，增材制造历经了从快速原型制造到功能部件加工的革命性变化，其基本原理在于通过逐层叠加材料构建三维对象，这一突破性制造理念改变了传统的减材加工模式。发展至今，典型的3D打印技术，如熔融沉积建模（FDM）、直接墨水书写（DIW）和立体光刻（SLA），在快速原型制造和复杂结构生产等多个领域中已展现巨大潜力。然而，此类技术始终在材料兼容性、制造精度及加工速度等方面存在一定局限，尚无法完全满足更广范围功能性复杂结构部件的制造需求。

液态金属作为一种新兴的功能材料，因其流动性优异、固液相转变灵活、可成形性好等优势，在3D打印领域扮演了日益重要的角色，这类材料能够快速冷却和固化，实现逐层堆叠，易于制造各种复杂的三维结构。2013年初，刘静团队首次报道了常温液态金属3D打印思想并研发出桌面级液态金属3D打印设备（Sci. Rep.，0.1038/srep01786，2013），这一突破使得低熔点金属在常温条件下得以实现机电元件混合打印，克服了传统高熔点金属的限制，团队通过对液态金属递送过程和沉积步骤的精确控制，成功制造出多层柔性电子器件，实现了同步快速制造和封装工艺。此后，团队偶然发现液态金属可在溶液内快速凝固和成型，由此提出了全新理念的液相3D打印技术（Sci. China Tech. Sci., 10.1007/s11431-014-5583-4，2014），通过引入水、乙醇等冷却介质，实现了金属器件的快速成型，该技术通过降低液态金属的冷却时间，极大提高了生产效率，显著提升了打印精度。液态金属悬浮3D打印技术则是团队针对复杂结构制造的又一创新，通过引入凝胶作为支撑介质，借助其自愈性特点，成功克服了重力的不利影响，实现了液态金属在三维空间中的稳定沉积（Adv. Mater. Tech., 10.1002/admt.201700173，2017），由此可快速制造柔性电子器件。在生物医疗与健康技术方面，团队开创性提出液态金属在体3D打印理念和注射电子概念（Sci. Rep.，10.1038/srep03442，2013），利用生物相容性良好的封装材料实现与液态金属墨水的同步注射，以微创方式在体内直接构筑出功能电子器件，展示了直接在体打印生物传感器、电刺激器及监护系统的应用情况，开辟出了医疗设备在体微创制造的新途径。2023年，研究小组提出了液态金属植物注射电子学方法（Mater. Today，10.1016/j.mattod.2023.04.007，2023），可在活体植物的目标部位制造出各种电子元件，如高稳定电极、可长期工作传感器、可变特性隐形天线以及更多赛博电子，这为发展植物电生理学、电子植物、智慧农业和植物机器人提供了基本工具，有望促成更多的新兴技术和超常规应用。

十余年来，团队的工作引发大量后续研究，增进了领域的繁荣。然而，迄今所发展的几乎所有的液态金属3D打印技术均针对特定介质，当面临不同工作环境时，在制造功能组件时需作大幅度调整，这会导致效率低下且难以满足个性化和通用性的打印需求。为突破增材制造的介质壁垒，联合团队基于在液态金属领域二十多年的耕耘积累，创造性提出了将各种打印集于一体的普适性3D打印理念。在AFM文章中，作者们从打印墨水与周围环境的作用机制出发，系统总结了液态金属3D打印在墨水体系、打印方法、工作介质和应用场景多方面的研究现状，剖析了液态金属在不同介质中的独特性质与多功能性，并深入解读如何通过调控墨水与介质的界面相互作用实现优化打印的原理（图1）。

图1液态金属3D打印理论框架，包括打印墨水、打印技术、介质相互作用以及液态金属3D打印的应用。

2．从气、液、柔性介质到固相工作环境的通用性液态金属3D打印

此篇AFM文章深入探讨了液态金属墨水与多种介质（包括气体、液体、软物质、生物组织乃至刚性介质）之间的相互作用机制，解析了其中的关键过程，包括氧化促进、热量散发、结构支撑、模量匹配、强化润湿性以及提高反应性等。在气体介质中，液态金属暴露于氧气环境中会自发形成一层薄薄的氧化膜，从而提高了粘附性并能保持沉积结构的完整性，而通过引入更多气相化学反应如氧化、氮化处理还可形成氧化镓、氮化镓半导体薄膜和器件；在液体介质中，水和乙醇等液体能够快速冷却液态金属，提升成型的精度和速度；在软物质中，液态金属利用介质的支撑作用，可以制造复杂的三维结构；在生物组织中，液态金属的柔性使其能够与人体组织良好配合，从而减少组织损伤（图2）；在刚性介质中，液态金属的柔性有助于实现更好的适型，甚至借助与金属物质的反应实现更多独特制造。文章通过系统阐明这些相互作用规律，特别是涉及的物理与化学效应，为未来液态金属3D打印中心的构建提供了理论和技术支撑。

图2液态金属在生物软组织中的3D打印

3．泛介质液态金属3D打印与加工中心的提出和系统构建

更进一步地，考虑到迄今针对液态金属在不同介质中的打印技术尽管取得了持续进展，但始终缺乏一种通用设备将液态金属的所有打印方式、墨水类型与介质环境进行全面整合。为填补这一空白，团队在发表于The Innovation的文章中，提出了通用型制造策略——泛介质液态金属3D打印，旨在打破传统加工装备的限制，构建出高度集成化的打印中心（图3）。这一技术理念极大拓宽了3D打印墨水的种类范围，涵盖从低熔点金属到高熔点金属、非金属乃至多组分复合材料，为多介质、多技术增材制造建立起了通用策略，这也使液态金属3D打印技术能够适应多种打印需求，实现比如从电子器件到医疗植入物的多样化应用。

文章进一步探讨了液态金属在多种环境中的3D打印过程，深入分析了不同介质条件下的关键制造机制和后处理技术。泛介质液态金属3D打印中心突破了传统增材制造的边界，可实现多种墨水打印及加工工艺，按需定制功能化设备。在这种泛介质制造平台中，包括了多功能墨水存储、介质库选择、打印头系统配置和精准控制系统等单元，可根据介质特性和墨水物化属性加以优化，最终实现目标对象的高效打印。

总的说来，液态金属通用化制造中心的建立具有重要理论与实践意义，其强大的适应性可满足复杂结构与多功能器件的制造需求，有力地推动了增材制造向智能化、个性化及跨界化迈进继而实现普及。

本文部分工作得到国家自然科学基金，北京市自然科学基金和北京市卫健委项目的支持，谨以致谢。

图3泛介质液态金属3D打印在不同介质的关键技术示意图及打印中心的构建。

文章链接：

[1] Pan-Media liquid metal 3D printing:

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2025.100813

[2] Ubiquitous Liquid Metal 3D Printing: From Gas, Liquid to Rigid Media:

https://doi.org/10.1002/adfm.202421571

来源：高分子科学前沿

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