2026年4月14日，来自莱斯大学的一个研究团队开发了一种新型复合电子器件3D 打印工艺：利用聚焦微波将功能电子器件集成到各种多材料结构中，包括温度敏感的生物聚合物和活体生物组织。这项工艺克服了电子 3D 打印的一个基本限制：无法在不损坏下方材料的情况下加热打印油墨（一个关键的加工步骤）。相关研究以题为“Three-dimensional printing
ofnanomaterials-based electronics with a metamaterial-inspired
near-fieldelectromagnetic
structure”的论文发表于《科学进展》中。这项研究得到了美国海军研究办公室和美国国立卫生研究院的支持。
△研究团队：孔永林教授（前排）与合作者杨鑫、滕健、刘宇（后排，从左至右）
功能材料的集成以及对其特性进行空间编程的能力，决定了器件的性能以及可制造器件的极限。现有的制造方法在这两方面都存在根本性的局限性。例如，电子元件通常在大型集中式代工厂中制造，与最终器件往往是分离的。将它们集成起来需要复杂且劳动密集型的组装，这限制了最终器件的形态和功能。理论上，多材料3D打印技术应该能够制造出自由形状的结构，并将电子和机械性能直接编程到结构中。然而，使打印的电子墨水发挥功能所需的加热处理过程，却会破坏这些器件所需的材料本身。
研究团队证明，通过将微波能量集中到一个与人类头发直径相当的受限加热区域，研究人员可以在3D 打印过程中选择性地加热电子墨水，同时保持周围材料相对凉爽，从而减少潜在的损害。莱斯大学乔治·R·布朗工程与计算学院机械工程助理教授孔教授说：“选择性加热打印材料的能力使我们能够对墨水的功能特性进行空间编程，即使周围是温度敏感材料。这使我们能够将自由曲面电子器件集成到各种基材上，包括生物聚合物和活体生物组织，所有这些都可以在桌面打印机中完成，而无需复杂的设备或劳动密集型的手动操作。”
孔教授自博士阶段起便致力于3D打印电子器件工艺的研究，并取得了多项突破性发明，展现出广阔的应用前景。然而，十多年来，由于无法选择性地加热打印油墨，这项技术的应用范围受到限制，仅限于少数几种材料，从而制约了打印器件的功能和性能。
△（A）采用
Meta-NFS 的 3D 打印工艺示意图，展示了对 3D
打印材料进行原位选择性退火的过程，即使在对温度敏感的基底上也能实现。（B）微波频谱示意图。（C）Meta-NFS 在加热聚乙烯基底上亚毫米（约
150 μm 宽）粘弹性银纳米颗粒墨水区域时的光学图像和（D）红外图像。
自成立研究团队以来，孔教授一直致力于探索克服这一长期难题的策略。他与长期合作伙伴、新加坡国立大学微波工程专家兼副教授何约翰共同设计了一种名为“Meta-NFS”（超材料启发式近场电磁结构）的装置。它能够将微波能量限制在近场中，从而达到对打印油墨进行后处理所需的高能量密度。
当与微挤出3D打印工艺相结合时，利用聚焦微波控制加热的能力实现了以往电子制造方法无法达到的功能：即使在单次打印过程中，也能连续地对功能特性进行空间编程。例如，通过调节微波参数，研究人员可以精确地控制加热程度，从而控制打印颗粒的微观结构。这使得在单次打印过程中无需更换材料即可创建机械和电子特性相差几个数量级的多功能电路。
△照片显示：在（A）叶片上打印出直径为 30 μm 的独立式银微结构，证明了在温度敏感基材上进行打印的能力；（B）在硅胶上进行打印，证明了实现高分辨率特征的能力。
他们还证明，这种方法可应用于从金属、陶瓷到热固性聚合物等多种功能材料，表明近场微波打印能够原位加工和编程多种材料。此外，微波的选择性使其能量能够深入穿透，即使目标材料完全封装也能对其进行加热。这些独特的特性使得多材料器件能够在连续的制造过程中，利用广泛的材料库无缝构建，所有这一切都可以在桌面大小的平台上完成——这与需要复杂设备、劳动密集型加工和手动组装的传统方法形成了鲜明的对比。
功能性电子元件可以直接打印到温度敏感型生物聚合物和生物结构中，这在以前是难以实现的。作为概念验证，研究人员将无线应变传感器打印到超高分子量聚乙烯（一种常用于关节置换的生物聚合物）上，从而制造出电子增强型植入物，这些植入物有望在不改变其结构的情况下监测应力或磨损。他们还将无线传感器直接打印到牛股骨和一片活叶上，为理解和控制生物过程开辟了新的可能性。
Meta-NFS 3D打印技术如今已成为孔教授团队开发全新电子设备的核心基础，这些设备可应用于此前从未出现过的广泛领域。例如，该团队正在开发用于个性化诊断和治疗的可摄入式电子系统，设计可与生物器官交互的仿生设备，并打造具有高度集成电子功能的下一代3D打印软体机器人和无人机。
孔说道：“Meta-NFS 3D 打印技术使我们能够开发出以前制造方法无法制造甚至无法想象的新型混合电子设备，这为我们提供了满足社会未满足需求的新能力。”
来源：南极熊
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