作者

杨忠达，李健，郭艳玲，王扬威，赵文，赵伟，刘彦菊，张来昌

机构

东北林业大学，哈尔滨工业大学，伊迪斯科文大学

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. 7 052003.

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

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

基于绿色可持续发展背景，取材于自然的生物质材料受到了广泛的关注。生物质材料是指由动物、植物及微生物等生命体生长和新陈代谢产生的有机物质，主要由有机高分子物质组成。生物质材料具有生物相容性，生物降解性等优良的性质，其微观表面的丰富基团赋予其巨大的改性潜力，另外在增材制造中表现出的优异打印性能，有望解决智能材料在响应性和可打印性等方面存在的问题，加速4D打印与各研究领域的交叉融合。然而，目前基于生物质材料和 4D 打印相结合的研究，包括材料开发、结构设计和评估策略，一般都是经验性的、孤立的，缺乏一个整体框架来指导这种材料的设计和制备。

基于此，近期东北林业大学的李健教授课题组和伊迪斯科文大学的张来昌教授在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Biomass materials and their application in 4D printing”的综述文章，论文总结归纳了生物质材料在4D打印各个领域的最新研究进展，从生物质材料的分类、生物质材料的作用和四维变形机制到生物质材料在各个领域的应用（生物医学领域、食品打印和软体机器人）三个维度，全面且系统地总结了形状记忆聚合物及其复合材料的最新成果，并从多角度、多维度、多层次探讨了不同来源生物质材料在各个领域应用过程中的挑战与局限，提出了通过生物质材料成分优化和材料改性进一步提高4D打印材料的响应性和功能性的发展路径，以生物制造技术为基础，搭建起生物质材料和4D打印技术相结合的桥梁，并以具备优异性能的材料开发为前提，探究更深入的材料改性研究，更精准的材料检测技术，更低成本的材料制备储存以建立更为完整的科学框架，极大地推动了其在生物医学领域、食品打印和软体机器人关键领域的高速发展！

2. 图文解析

4D打印的快速发展要求智能材料在响应性，功能性和可打印性方面取得突破。近年来，生物质新型天然材料因其绿色、可再生等优势而被广泛研究，生物质材料凭借优良的打印性能以及可响应性能成为4D打印的研究热点，文章依据生物质材料的来源进行了分类，结合天然环保，绿色无害的内在特性，概述了相比于传统智能材料存在的独特优势。分析了材料改性对生物质材料的微观表面引起的差异对打印材料宏观表现的巨大作用，深化了以生物质为基体的水凝胶软体材料在生物医学领域和食品打印中表现的突出优势。

图1 生物质材料在各个领域的应用。

在植物源生物质材料部分，全面回顾了基于各种植物源生物质材料的 4D 打印材料研究及其在许多行业中的应用，列举了各类来自于植物组织的生物质材料及其衍生物各自的基本特点及研究单位，并对比了各自的优势，为针对不同应用领域的研发及展开策略提供了重要的指导意义，强调了基于数学模型的打印策略对以生物质材料为智能材料的打印墨水的重要性，同时推动了含有生物质材料的智能材料的驱动方式向着多元性，可逆性，实用性及稳定性不断探索与前进。

图2 植物源生物质材料在4D打印中的应用。

在动物源生物质材料方面，论文全面总结了以壳聚糖、动物蛋白等生物质材料在4D打印方面的最新研究进展（图3），包括机器手的驱动策略、软体机器人的变形性能以及食品打印的变色机理等。随后概述了动物源生物质材料在打印过程中的作用以及 4D 变化机制，并对比了各种材料的优缺点。进一步强调了材料改性赋予生物质材料在4D打印中的应用潜力，同时本文指出了以脂肪为代表的动物源生物质材料未来在生物医学领域起到的关键性作用，不仅为医疗中的自体移植提供了新的参考和设计策略，而且极大地推动了动物源生物质材料从理论研究向着高效性、普适性方向的快速发展。

图3 动物源生物质材料在4D打印中的应用。

在微生物源生物质材料方面，文章对目前应用于4D打印的黄原胶的研究进展进行了综述（图4），全面分析了黄原胶的优缺点，介绍了其在打印过程中的作用以及 4D 变化机制，点明了现阶段微生物源生物质材料在4D打印中的局限性及未来主要研究方向。为基于微生物源生物质材料在可变色食品结构，可变形医疗支架等方向的发展提供了重要参考。除此之外，本文的最后强调了以生物质为原料的生物制造技术为生物质材料的进一步应用带来颠覆性变革和机遇，生物制造技术的进步为4D打印和生物质材料的结合建立了重要的桥梁。

图4 微生物源生物质材料在4D打印中的应用。

3. 总结与展望

4D打印技术通过在3D打印基础上引入时间维度，使材料能够在外部刺激（如温度、湿度、光、磁场等）下动态变形或功能化，但其发展受限于响应性材料的性能。生物质材料因其可持续性、环境友好性和独特的刺激响应特性，为4D打印提供了新的解决方案。未来基于生物制造技术，在4D打印和生物质材料的结合应用中，通过生物质材料改性，墨水成分优化和打印技术提升来提高4D打印的性能（图5）。生物质材料的进一步应用在促进4D打印发展的同时，为双碳目标的实现发挥关键作用。

图5 生物质材料在 4D 打印中的未来研究方向。

4. 作者简介

李健

东北林业大学

李健，东北林业大学机电工程学院教授，博导，副院长，教授委员会主任，机械专业学位硕士负责人。中国机械工程学会、中国林学会高级会员，黑龙江省机械工程学会增材制造专委会秘书长，东北林业大学3D打印材料与技术研究中心主任。长期从事生物质材料增材制造技术及仿生软体机器人研究。主持国家自然科学基金项目、中国博士后特别资助项目、黑龙江省自然科学基金优青项目、中央引导地方项目等10余项。曾获粱希科技进步三等奖、黑龙江省科学技术进步三等奖、黑龙江省科技发明三等奖等多项科技奖励。授权国家发明专利和实用新型专利近30项，出版教材、专著4部，获黑龙江省教学成果二等奖2项。

张来昌

伊迪斯科文大学

张来昌，澳大利亚伊迪斯·科文大学终身教授、先进材料与制备中心主任、德国“洪堡”学者、全球高被引科学家、国际先进材料协会（IAAM）“桂冠奖”获得者。张教授毕业于中国科学院金属研究所并获得博士学位，先后就职于德国达姆斯塔特工业大学和莱布尼茨固体材料研究所、澳大利亚伍伦贡大学、西澳大学和伊迪斯·科文大学。其研究兴趣主要包括增材制造、生物材料、轻量化材料和结构、高强度材料等。迄今为止，已出版英文专著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等国际著名学术期刊发表论文400余篇，H指数为92，引用次数超过3.1万次。其部分研究成果已在澳大利亚国家电视台新闻频道全球直播采访和《访谈》采访报道、中央电视台（CCTV-4）、新华社、《科技日报》和美国《高等教育纪事报》等知名媒体报道。现担任超过10本学术期刊的主编、（副）编辑或编委，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。