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作者

楊忠達，李健，郭艷玲，王揚威，趙文，趙偉，劉彥菊，張來昌

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機構

東北林業大學，哈爾濱工業大學，伊迪斯科文大學

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Citation

Yang Z D, Li J, Guo Y L, Wang Y W, Zhao W, Zhao W, Liu Y J, Zhang L C. 2025. Biomass materials and their application in 4D printing. Int. J. Extrem. Manuf.7052003.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/add81c

撰稿 | 文章作者

文章導讀

基于綠色可持續發展背景，取材于自然的生物質材料受到了廣泛的關注。生物質材料是指由動物、植物及微生物等生命體生長和新陳代謝產生的有機物質，主要由有機高分子物質組成。生物質材料具有生物相容性，生物降解性等優良的性質，其微觀表面的豐富基團賦予其巨大的改性潛力，另外在增材制造中表現出的優異打印性能，有望解決智能材料在響應性和可打印性等方面存在的問題，加速4D打印與各研究領域的交叉融合。然而，目前基于生物質材料和 4D 打印相結合的研究，包括材料開發、結構設計和評估策略，一般都是經驗性的、孤立的，缺乏一個整體框架來指導這種材料的設計和制備。

基于此，近期東北林業大學的李健教授課題組和伊迪斯科文大學的張來昌教授在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上發表了題為“Biomass materials and their application in 4D printing”的綜述文章，論文總結歸納了生物質材料在4D打印各個領域的最新研究進展，從生物質材料的分類、生物質材料的作用和四維變形機制到生物質材料在各個領域的應用（生物醫學領域、食品打印和軟體機器人）三個維度，全面且系統地總結了形狀記憶聚合物及其復合材料的最新成果，并從多角度、多維度、多層次探討了不同來源生物質材料在各個領域應用過程中的挑戰與局限，提出了通過生物質材料成分優化和材料改性進一步提高4D打印材料的響應性和功能性的發展路徑，以生物制造技術為基礎，搭建起生物質材料和4D打印技術相結合的橋梁，并以具備優異性能的材料開發為前提，探究更深入的材料改性研究，更精準的材料檢測技術，更低成本的材料制備儲存以建立更為完整的科學框架，極大地推動了其在生物醫學領域、食品打印和軟體機器人關鍵領域的高速發展！

圖文解析

4D打印的快速發展要求智能材料在響應性，功能性和可打印性方面取得突破。近年來，生物質新型天然材料因其綠色、可再生等優勢而被廣泛研究，生物質材料憑借優良的打印性能以及可響應性能成為4D打印的研究熱點，文章依據生物質材料的來源進行了分類，結合天然環保，綠色無害的內在特性，概述了相比于傳統智能材料存在的獨特優勢。分析了材料改性對生物質材料的微觀表面引起的差異對打印材料宏觀表現的巨大作用，深化了以生物質為基體的水凝膠軟體材料在生物醫學領域和食品打印中表現的突出優勢。

圖1生物質材料在各個領域的應用。

在植物源生物質材料部分，全面回顧了基于各種植物源生物質材料的 4D 打印材料研究及其在許多行業中的應用，列舉了各類來自于植物組織的生物質材料及其衍生物各自的基本特點及研究單位，并對比了各自的優勢，為針對不同應用領域的研發及展開策略提供了重要的指導意義，強調了基于數學模型的打印策略對以生物質材料為智能材料的打印墨水的重要性，同時推動了含有生物質材料的智能材料的驅動方式向著多元性，可逆性，實用性及穩定性不斷探索與前進。

圖2植物源生物質材料在4D打印中的應用。

在動物源生物質材料方面，論文全面總結了以殼聚糖、動物蛋白等生物質材料在4D打印方面的最新研究進展（圖3），包括機器手的驅動策略、軟體機器人的變形性能以及食品打印的變色機理等。隨后概述了動物源生物質材料在打印過程中的作用以及 4D 變化機制，并對比了各種材料的優缺點。進一步強調了材料改性賦予生物質材料在4D打印中的應用潛力，同時本文指出了以脂肪為代表的動物源生物質材料未來在生物醫學領域起到的關鍵性作用，不僅為醫療中的自體移植提供了新的參考和設計策略，而且極大地推動了動物源生物質材料從理論研究向著高效性、普適性方向的快速發展。

圖3動物源生物質材料在4D打印中的應用。

在微生物源生物質材料方面，文章對目前應用于4D打印的黃原膠的研究進展進行了綜述（圖4），全面分析了黃原膠的優缺點，介紹了其在打印過程中的作用以及 4D 變化機制，點明了現階段微生物源生物質材料在4D打印中的局限性及未來主要研究方向。為基于微生物源生物質材料在可變色食品結構，可變形醫療支架等方向的發展提供了重要參考。除此之外，本文的最后強調了以生物質為原料的生物制造技術為生物質材料的進一步應用帶來顛覆性變革和機遇，生物制造技術的進步為4D打印和生物質材料的結合建立了重要的橋梁。

圖4微生物源生物質材料在4D打印中的應用。

總結與展望

4D打印技術通過在3D打印基礎上引入時間維度，使材料能夠在外部刺激（如溫度、濕度、光、磁場等）下動態變形或功能化，但其發展受限于響應性材料的性能。生物質材料因其可持續性、環境友好性和獨特的刺激響應特性，為4D打印提供了新的解決方案。未來基于生物制造技術，在4D打印和生物質材料的結合應用中，通過生物質材料改性，墨水成分優化和打印技術提升來提高4D打印的性能（圖5）。生物質材料的進一步應用在促進4D打印發展的同時，為雙碳目標的實現發揮關鍵作用。

圖5生物質材料在 4D 打印中的未來研究方向。

作者簡介

李健

東北林業大學

李健，東北林業大學機電工程學院教授，博導，副院長，教授委員會主任，機械專業學位碩士負責人。中國機械工程學會、中國林學會高級會員，黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，東北林業大學3D打印材料與技術研究中心主任。長期從事生物質材料增材制造技術及仿生軟體機器人研究。主持國家自然科學基金項目、中國博士后特別資助項目、黑龍江省自然科學基金優青項目、中央引導地方項目等10余項。曾獲粱希科技進步三等獎、黑龍江省科學技術進步三等獎、黑龍江省科技發明三等獎等多項科技獎勵。授權國家發明專利和實用新型專利近30項，出版教材、專著4部，獲黑龍江省教學成果二等獎2項。

張來昌

伊迪斯科文大學

張來昌，澳大利亞伊迪斯·科文大學終身教授、先進材料與制備中心主任、德國“洪堡”學者、全球高被引科學家、國際先進材料協會（IAAM）“桂冠獎”獲得者。張教授畢業于中科院金屬研究所并獲得博士學位，先后就職于德國達姆斯塔特工業大學和萊布尼茨固體材料研究所、澳大利亞伍倫貢大學、西澳大學和伊迪斯·科文大學。其研究興趣主要包括增材制造、生物材料、輕量化材料和結構、高強度材料等。迄今為止，已出版英文專著3本，在Science、Progress in Materials Science、Materials Science Engineering R: Reports、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today、Acta Materialia、Advanced Powder Materials、International Journal of Extreme Manufacturing等國際著名學術期刊發表論文400余篇，H指數為92，引用次數超過3.1萬次。其部分研究成果已在澳大利亞國家電視臺新聞頻道全球直播采訪和《訪談》采訪報道、中央電視臺（CCTV-4）、新華社、《科技日報》和美國《高等教育紀事報》等知名媒體報道。現擔任超過10本學術期刊的主編、（副）編輯或編委，如Advanced Powder Materials, International Journal of Extreme Manufacturing, International Journal of Mining Science and Technology, Advanced Engineering Materials, Acta Metallurgica Sinica (English Letters)等。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子21.3，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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