为突破传统3D打印技术局限于单一均质材料、难以实现复杂功能和动态响应的瓶颈，吉林大学任露泉教授团队近期在SCI期刊《极端制造（英文）》上发表了题为“Heterogeneous material 3D printing: from multi-material integration to spatiotemporal functionality programming”的综述文章。
该文系统阐述了异质材料3D打印（HM3DP）的化学基础、工艺创新与前沿应用，提出了涵盖组分、结构与功能-时间三个维度的异质性分类体系，旨在统一领域标准、推动技术创新，为仿生结构、柔性电子与智能器件等先进领域提供理论与技术支撑。
论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae87e9
作者
周雪莉，刘洪佩，徐超*，任雷*，张计峰*，钱志辉，刘庆萍，任露泉
机构
吉林大学，曼彻斯特大学，长春理工大学
图1 HM3DP在多学科交叉应用场景中面临的科学挑战。
图文解析
异质材料3D打印技术通过多材料协同集成、工艺参数动态编程及外场辅助调控等策略，实现对构件材料组成、微观结构与功能的精准三维空间控制。
本文构建的三层异质性分类体系将异质材料分为：1） 组分异质性；2） 结构异质性；3） 功能-时间协同异质性。该体系不仅从分子尺度到宏观功能层面建立了系统化评价指标，更标志着增材制造从静态层叠到动态智能设计的演进（图2）。
图2 HM3DP的化学基础：动态界面化学、仿生粘附分子工程与梯度策略。
文章深入分析了HM3DP当前面临的三大核心交叉科学挑战：
动态界面兼容性难题：多材料界面普遍存在化学不相容、力学失配与时效退化等连锁反应；
跨尺度异质力学完整性及断裂控制难题：从纳米功能填料的取向排布到宏观复杂结构（如仿生血管网络、力学超材料晶格）的精确制造，现有技术缺乏有效的跨尺度协同调控机制；
功能-时间协同缺失难题：现有技术大多局限于静态组分/结构异质性，难以满足4D打印、智能电子等领域对性能随时间演化的需求。
这些挑战在4D打印、柔性电子器件与生物医用材料等高端应用场景中具体表现为界面失效、分辨率低及性能-环境失配等问题。
针对上述挑战，文章从化学基础与工艺创新两大维度系统梳理了前沿突破。首先，动态界面化学：通过动态共价键（如Diels-Alder反应）、可逆配位键与非共价相互作用协同，实现界面的可编程粘附、智能响应与自修复，显著提升异质结构的长期稳定性（图2）。其次是仿生粘附分子工程：模拟天然细胞外基质信号，优化细胞-材料界面相互作用，提升生物打印的组织构建效率。最后是运用梯度策略：在刚-柔界面等突变区域，通过工艺参数与交联密度的空间调控实现力学性能的平滑过渡，有效分散应力集中。
在工艺创新方面，文章重点探讨了光聚合、材料挤出等主流技术如何通过动态树脂交换、微流控混合、体积曝光等创新方法，实现从纳米功能单元排布到宏观复杂结构成形的跨尺度协同调控（图3）。
图3 光聚合工艺在多材料打印中的技术演进：从树脂槽更换到基于毛细管流与微流控的动态梯度控制。
总结与展望
本文系统综述了异质材料3D打印领域的最新进展，构建了标准化的三层异质性分类体系，并剖析了动态界面兼容性、跨尺度力学控制及功能-时间协同三大核心挑战及其解决方案。未来，通过多物理场协同与智能优化，HM3DP有望实现自适应、高性能的异质系统，真正弥合静态制造与动态智能设计之间的鸿沟，为新一代自监测植入体、自适应软机器人等产品开发铺平道路，开启材料科学与工程的新前沿。
论文引用
Zhou X L, Liu H P, Xu C, Ren L, Zhang J F, Qian Z H, Liu Q P, Ren L Q. 2026. Heterogeneous material 3D printing: from multi-material integration to spatiotemporal functionality programming.Int. J. Extrem. Manuf. 8 062001.
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