3D 打印也称为增材制造，这种技术正在彻底改变我们从数字文件中创建实体物体的方式。 该技术现在已经走入大众生活，并广泛应用于生物医学等各个领域。 3D 打印技术可用于制造药品、义耳甚至人造器官，在生物医学领域具有无限的应用潜力。 本篇深度报告将分析生物医学领域（包括组织和器官制造、植入物和义肢等）的 3D 打印技术及材料最新趋势与重大创新。

生物医学 3D 打印的趋势与创新

我们正身处 3D 打印革命的浪潮之中。 3D 打印技术曾经只适用于重点研究型大学和《财富》500 强公司，如今已逐渐成为主流，2021 年 3D 打印机的出货量已达到 220 万台。 到 2030 年，该数字将上升至 2150 万，将这种快速成型技术带入大众生活。

从航空航天到建筑施工，所有主要行业都在利用 3D 打印技术实现快速、经济的生产制造。 在所有积极采用 3D 打印技术的行业中，生物医学工程具有最大的 3D 打印技术应用潜力。 本文将探讨 3D 打印在医疗保健和医药领域的兴起。

3D 打印的发展史

1981 年，日本发明家兒玉秀雄 (Hideo Kodama) 为“快速成型设备”申请了第一项专利，但这个概念好像从一开始就注定要失败，秀雄博士很快在第二年就停止为这项专利提供资金。 然而，这个想法为进一步的创新提供了催化剂。 1984 年，查尔斯·霍尔 (Charles Hall) 申请了光固化成型系统 (SLA) 的专利，这种 3D 打印技术至今仍然被广泛使用。 1988 年，基于突破性的 SLA 技术，第一台商用 3D 打印机问世。

其他重要 3D 打印技术也紧随其后，逐一诞生。 到 20 世纪 80 年代末，又有两类增材制造设备申请了专利：熔融沉积成型 (FDM) 和选择性激光烧结 (SLS)。 FDM 的工作原理是一种叫做“挤出”的技术，这种技术通过将加热的材料从喷嘴中挤喷出来，逐层堆积，从而形成 3D 产品。 SLS 的工作原理有些不同；该过程需在打印平台上铺一层粉末基材料，然后对 3D 打印产品的每一层进行快速凝固（或“烧结”）。 随后，“喷射”（2D 喷墨打印技术的改进版本）和立体光聚合技术纷纷问世。

这些技术最初仅属于专利持有人。 然而，随着这些专利的到期和 RepRap 开源概念的诞生，新公司如今已经能够在这个令人兴奋的领域大展拳脚。 许多重大突破都出现在生物医学领域，包括出第一个用于移植手术的 3D 打印器官（膀胱）的开发。

如今，生物医学领域的 3D 打印应用正在蓬勃发展。 2021 年，生物医学 3D 打印的全球市场规模约为 14.5 亿美元，预计到 2030 年将达到约 62.1 亿美元。 为了揭示生物医学 3D 打印的重要趋势，我们充分利用 CAS 内容合集™ 这个有关已发表科学文献的最大人工收录合集，分析了其中的相关数据。

3D 打印技术和材料

3D 打印技术可分为四大类：粉床熔融成型、喷射成型、挤出成型和光聚合成型。 由于 3D 打印技术的用途极其多样，因此没有一种通用型技术可以满足所有需求。 然而，挤出成型类技术（如 FDM）仍然是当前最流行的生物医学 3D 打印类型（图 1）。

从塑料和金属到天然物质，许多材料都可以用于生物医学 3D 打印。 合成聚合物（如聚己内酯和聚乳酸）是最常用的 3D 打印材料（图 2），因为其通常用于打印微流控芯片和医疗植入物。 应用最广泛的无机物是羟基磷灰石，它可用作牙科材料和骨修复的填充物。 海藻酸盐和透明质酸等各种天然聚合物也越来越多地用于生物打印。

生物医学 3D 打印的兴起

根据生物医学 3D 打印应用相关期刊和专利出版物的历年变化趋势，虽然相关期刊出版物的数量（约 15,000 篇）远远高于专利出版物（约 5,700 篇）（图 3），但该领域的创新势头依旧十分强劲。 这一趋势可能反映了近年来生物医学 3D 打印技术商业化的推进。

约 90 个国家有学者发表了有关生物医学 3D 打印应用的文献，这表明该技术已经引起全球广泛关注。 其中美国和中国的发表量处于领先地位，所发表的期刊和专利出版物数量分别位居前二（图 4 和图 5）。

分析生物医学 3D 打印专利受让人的趋势时，我们可以看到，大多数专利都属于美国 3M 公司。 其他专利发表量较多的国家包括韩国、列支敦士登、法国和中国（图 6）。

生物医学 3D 打印的创新应用

我们已经介绍了一些重要的生物医学 3D 打印应用，但未来仍有无限可能。 从医疗植入物的开发到医疗设备的制造，创新成功层出不穷。 组织和器官工程是 3D 打印的一个主要应用，该领域当前正在探索软骨、肌肉和皮肤等复杂结构的制造。 对 CAS 内容合集中相关数据的分析表明，“组织工程”、“组织支架”和“生物打印”等概念频繁出现在与组织、器官相关的生物医学 3D 打印出版物中，凸显了这一重要研究领域的受关注度（图 7）。

3D 打印技术在制药领域也有一些潜在应用，可以帮助实现难以实现的个性化医疗目标。 借助生物医学 3D 打印，可以修改和微调药品的剂量、形状、大小和释放特性。

生物医学 3D 打印技术在义肢和植入物制造领域也有新应用，可以根据患者的解剖结构、肤色、身材和体型制造个性化义肢。 柔性材料可用于打造更多人体部位，实现更多功能，而钛合金等金属可用于骨骼重建。 对 CAS 内容合集中相关数据的分析表明，“义肢植入物”、“义肢材料”和“种植牙”等概念频繁出现在与骨科和义肢相关的 3D 打印出版物中（图 8）。 尽管与组织和器官相比，3D 打印相关出版物明显较少，但这仍是一个充满活力，快速增长的领域。

生物医学 3D 打印面临的挑战

虽然生物医学 3D 打印有如此多令人兴奋的进展，但在许多领域，该技术的发展应用仍处于早期阶段。 例如，研究人员已成功实现了带血管心脏补片的生物打印，但制造坚固的心脏瓣膜（更不用说完整的器官）仍然任重道远。 目前，3D 打印机仍然无法制造具有人体生物力学和功能的组织。 生物墨水的进步以及培养基和干细胞的使用都可能有助于在未来实现这些方法的优化。

生物医学 3D 打印的未来

如果按照目前的研究趋势，生物医学 3D 打印领域将继续得到大量投资，不断实现创新突破。 我们预测这项技术的应用将变得更加广泛，药房使用 3D 打印机这一想法距离成为现实越来越近。 虽然生物医学 3D 打印对医院来说是一项巨大的财务投资，但如果规划得当，其收益将远远超过成本。 随着这项技术不断发展，我们需要建立标准化术语，美国食品药品监督管理局应制定全新监管框架，确保生物医学 3D 打印产品的安全性和有效性。

如要了解更多信息，请下载我们的洞察报告。

由于 CO² 排放对环境的影响，科学家们正在探索如何提高肥料制造的可持续性。 这篇科学综述分析了 2001 年至 2021 年间，可持续肥料的科学和专利趋势（来源：CAS 内容合集^TM）。 这项文献计量研究及文献评价将帮助科研人员认识和使用新的肥料与营养物质来源，从而为现有来源提供补充，同时提高废物管理和制氨的效率和可持续性。

随着世界人口的持续增长，食物需求总量也在不断增加。 虽然合成肥料具有许多好处，但其生产和使用可能对环境产生负面影响。

而可持续肥料则提供了一种更为环保的选择。 阅读我们对出版物趋势、全新机遇和相关挑战的独特见解，探索这一不断发展的领域的新兴布局。

可持续农业在全球粮食生产中的关键作用

据预测，2010年至2050年间，全球粮食总需求将增长35-56%，同时全球人口将稳步增长。 近年来，粮食生产和分配成本的上涨受到COVID-19疫情、俄乌局势、气候变化和地区冲突的影响。 国际货币基金组织强调，政策变化对于减少粮食不安全和改善化肥供应至关重要，特别是在较贫穷的国家。

合成肥料和有机肥料对于维持农业生产仍然至关重要。 合成肥料使用从磷矿开采的磷、从钾矿开采的钾和从大气中固定的氮，但这些资源的提取过程是能源密集型的，因此通过采矿活动和在生产中使用化石燃料能源对环境产生了长期的不利影响。 有机肥料包括各种动物的粪便、苜蓿粉、血粉、鱼粉和木灰，以及水或污水中的废物。 形成有机肥料的粪便和其他废物体量庞大，运输到田间施用或处置的成本很高，但如果可以在现场或生产地附近处理，从这些废物中获得营养物质，则可以省去昂贵的运输费用。

可持续的农业系统涉及有效地利用水、能源和营养资源；减少对环境的影响，保持经济实力，并最大限度地减少对有限的耗竭资源的依赖，实现可持续发展。 图 1 是如何从废水中回收、再利用和循环养分以用于肥料的示例。

肥料常量营养素就是一种有限的耗竭资源。 例如，磷酸盐储量可能会在未来50至100年内耗尽。 此外，废弃农产品也可能对环境有害，导致诸如药物、病原体或金属废物污染作物以及地表水富营养化等问题。 然而，这些废物营养量高，因而具有巨大的潜力。

通往可持续农业之路：创新马车

“循环生物经济”是指通过管理生物资源来改造和管理我们的土地、食品、健康和工业系统，以实现与自然和谐相处的可持续福祉的方法。 通过利用可持续农业的创新，在利用废物中的营养成分以促进粮食生产和最大限度地减少对环境的影响方面具有巨大潜力。 表 1 总结了常用的生物、化学和物理养分回收方法。 近年来引起人们兴趣的潜在可持续方法包括：

• 智能纳米肥料：氮纳米肥料有望通过提高向植物输送氮的效率和减少氮对环境的影响来提高氮利用率。 可以通过多种方式实现，如将肥料体积减少到纳米颗粒、用纳米材料补充肥料、通过封装或储存在纳米孔中形成纳米复合结构以控制养分释放。

• 生物精炼厂：与利用作物作为原料的第一代生物精炼厂相比，第二代生物精炼厂使用残余和废物流。 通过使用各种转化平台，经过酶和微生物，生物质被转化为液体燃料和其他化合物氮。

• 生物炭（木炭）：虽然使用生物炭在固碳方面是一个相对较新的概念，但这种类似木炭的物质的历史可以追溯到2000年前的亚马逊盆地，当时人们认为向土壤中添加烧焦的生物质可以改善土壤质量和肥力。 有机物(如枯萎植物或落叶)的厌氧热解是一种清洁且节能的方法，可以产生稳定形式的碳氮。

• 绿色氨：这是使用可再生能源，氮气和水使氨100%无碳化再生的过程。 近年来，包括空气产品公司、西门子、OCP、蒂森克虏伯和 Grupo Fertiberia 在内的大公司已经将使用电解水供应H2的绿色氨合成项目商业化氮。

• 鸟粪石： 鸟粪石也称为鸟兽积粪或磷酸铵镁 (MAP)，是一种晶体，其中 Mg²⁺、(NH₄)⁺ 和 PO₄³- 以 1:1:1 的摩尔比或化学计量比结合。 它可以单独使用，也可以与其他废物衍生产品、微生物接种剂或传统无机肥料一起用于复杂的肥料配方中。 鸟粪石高营养成分和缓释特性使其成为有吸引力的商业肥料生产候选物氮。

表 1. 从废物中回收常用养分的方法概览

肥料研究和养分回收的可持续农业趋势

CAS 内容合集™ 是专家标引的科学数据资源合集。我们使用CAS内容合集中收录的数据来分析养分回收方法和推动创新的技术概念词，为维护循环生物经济做出贡献。 在CAS内容合集中，我们进行了全面的检索，检索结果表明在2001-2021年期间，与肥料有关的专利共121,213项、文献共125，228篇（图 2）。 期刊文献重点研究了肥料对作物生长、生物响应和土壤肥力的影响，其中一些主题侧重于肥料和污染物中养分的回收方法，这些污染物会导致接收水的富氧化，或农业废物和含有污染物的土壤。 专利文献则侧重于与肥料养分回收、肥料配方和生物废物(如粪便、灰烬和发酵)相关的有机物质和生产工艺。

在CAS内容合集中进行检索，以发现利用氮、磷和钾作为营养来源的可持续农业发展趋势及其回收方法。

在期刊和专利中，“有机/无机小分子”、“元素”和“盐/化合物”等物质类别占主导地位，“混合物”在专利中也很普遍。

生物方法是最突出的养分回收方法，占期刊/专利出版物的66%，其次是物理方法(22%)和化学方法(12%)。

人们感兴趣的关键主题集中在废水处理污泥、生物炭和灰烬中的养分回收。 生物炭生产、鸟粪石沉淀和绿氨合成有显著趋势。

在专利和期刊披露的主题中，木炭/生物炭呈现明显增长趋势，尽管2019年略有下降，但期刊出版物仍显示出持续增长。 特别是自2013年以来，围绕可持续农业的专利数量有所增加，尽管同比数字有些变化（图 3）。 对概念词进行分析，揭示了概念词“废水处理污泥”(wastewater treatment sludge)和“粪便”(manure)与“厌氧生物消化”(anaerobic biological digestion anaerobic biological digestion)之间的关系。

在研究期间，关于鸟粪石的出版物大幅增加。 鸟粪石以 [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] 形式占主导地位；关于鸟粪石钾 [MgK(PO₄).6H₂O]（图 4）的报道很少，尽管一些研究表明它可以回收并有可能用作磷酸镁肥料。 与鸟粪石生产有关的重要概念词包括“化学沉淀”、“结晶”、“废水处理沉降”和“吸附废水处理”。

绿色氨主要发表在期刊中，2020年专利文献占总出版量的20%。 从2017年到2021年，具有催化绿氨合成作用的物质急剧增长；数量从2017年的不到100种不同物质增加到2021年的近500种不同物质。 引起人们兴趣的物质是那些包含用于绿色氨合成的新催化剂的物质，例如无机材料、有机/无机小分子、元素和配位化合物（图 5）。 此外，以光催化或电催化氮还原为特色的期刊出版物比例从2001年的1%增长到2021年的25%，突显了该方法的快速发展。

气候适应型农业是否即将出现？

随着全球人口的迅速增长，农业食品行业面临的压力越来越大。 化肥生产和农业废弃物的积累都造成了不可逆转的环境破坏。 可持续性和循环生物经济的概念已成为负责任农耕的核心原则。 可持续农业的原则激发了对废物处理、养分回收和能源效率综合系统开发的研究。

肥料生产的替代“绿色”工艺，例如绿色氨合成和从废物和微生物成分中回收肥料养分，有可能改变我们的食品生产方式，并可以将废物转化为有价值的副产品。

养分回收过程正在商业化，以帮助提高效率、降低成本并最大限度地减少对环境的影响。 一些值得注意的可持续农业技术包括：

• Pearl® 和 WASSTRIP®（废物活性污泥剥离去除内源磷）技术（加拿大 Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc.） 是一种重要的除磷工艺，可用于生产 Crystal Green®——一种含有磷、氮和镁的可持续回收缓释肥料。 Root-Activated™ 释放优化吸收并保护当地水资源，同时提高产量。

• AirPrex®（德国 CNP CYCLES GmbH）是一种获得专利的污泥优化工艺，可改善生物磷酸盐消除。 在 AirPrex® 反应器中，污泥经过处理最终生成MAP或鸟粪石沉淀，可用作肥料。

• AshDec® Thermochemical P-Recovery system（Metso Outotec, Finland）通过从污水污泥灰中回收磷，提高植物利用率并降低重金属含量。 磷产品可溶于柠檬酸盐，因此非常环保。 此外，磷的释放是可控的——它只发生在作物根系分泌物存在的情况下。

• The RecoPhos Project (RecoPhos Consortium) 是由学术界、工业界和企业承担的多学科项目。 目标是使用创新的反应器从污水、污泥和灰烬中回收磷（如白磷或磷酸）。 这项工作将为实施全面运行的台式反应堆和中试规模工厂的设计奠定基础。 还将评估RecoPhos工艺的经济，环境和社会影响。

• Aqua2™N Process（Easymining Services, Sweden）从污泥液中回收氮。 氮被吸附并以晶体被收集，然后以易用于肥料生产的形式回收。 吸收剂可以简单地再次使用。

诸如此类的举措证明，科学、技术和工业之间的跨部门合作不仅克服粮食生产挑战，而且还可以简化废物回收。 可持续农业为我们的社会提供了一条面向未来的可靠之路。

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近几年，微塑料的发现及其对环境的影响令人震惊。 微塑料几乎无处不在，存在于食物、海水甚至空气之中，需要数百年才能分解。

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微塑料是指大小小于 5 毫米的微小塑料颗粒。 微塑料来源广泛，包括较大塑料制品的分解、合成织物脱落以及在个人护理产品中使用的微型柔珠。

尽管微塑料可能很小，但却会对环境产生巨大影响。 它们可能会被海洋生物吞食，从而导致伤害或死亡。 它们也可能会累积毒素，沿食物链向上传递给人类。 此外，微塑料需数百年才可分解。这就意味着它们会长期存在于环境中。

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从浴室到大海：意识到微塑料的危害

塑料污染已成为一个重大的全球性问题，并且正在造成不可逆转的环境破坏。 微塑料颗粒(或微塑料)，即尺寸在1μm至5mm之间的塑料片，是已经引起人们强烈关注的新兴污染物。 2022年世界卫生组织 (WHO) 发布的一份关于微塑料暴露的报告强调了微塑料无处不在，在的海洋、空气、土壤以及食品和饮料中都能发现微塑料。

微塑料分为初生微塑料和次生微塑料。 初生微塑料的尺寸小于5毫米，来源包括化妆品和清洁剂的微珠，以及合成纺织品的微纤维。 次生微塑料是由较大的塑料颗粒分解形成的，其尺寸和组成更具异质性。 次生微塑料的例子包括车辆轮胎上的碎片、油漆、道路标记、海洋涂料和微纤维释放的颗粒。

评估微塑料的来源、产生和归宿对于理解它们普遍存在于环境中的原因非常重要（图 1）。 通过了解塑料的生命周期路径，可以确定生产和消费系统的关键热点，同时考虑塑料产品对以下领域每个阶段的潜在影响：

• 气候
• 生态系统
• 健康
• 经济

微塑料可以通过摄入、吸入或皮肤接触被生物体吸收。 微塑料及其相关的化学物质和添加剂被认为在慢性炎症性疾病和癌症等领域对我们的健康产生了许多负面影响。 关于微塑料对海洋生物影响的证据包括从减少摄食和光合作用到减少繁殖。 微塑料甚至可以携带有毒化合物和金属，可能会造成进一步的伤害。

警报终于拉响了。 现在我们是该清醒地意识微塑料带来的相关威胁了。 为解决这个看似无法克服的问题，我们做的足够了吗？

微塑料的出版物数量趋势

对 CAS 内容合集™ 中与微塑料、微纤维和相关主题相关的数据进行检索，获得近9,500篇文献。 出版物的主要趋势显示，在 2011 年 (n=81) 至 2021 年 (n=2,811) 的十年间，微塑料出版物增加了30多倍，而同期专利数量保持稳定（图 2）。

CAS收录的数据显示，在出版与微塑料相关的文献方面处于领先地位的国家是中国，其次是美国、德国、韩国和意大利（图 3）。

在微塑料研究文献中，出现频次最高的前五种物质是乙烯均聚物 (聚乙烯) 、聚苯乙烯、1-丙烯均聚物 (聚丙烯) 、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和聚氯乙烯 (PVC；图4) 。 纤维素是研究结果中另一种突出的物质——矛盾的是，因为其作为聚合物替代品 (应用于电子，生物医学和微塑料去除等) ，以及以再生纤维素的形式存在于玻璃纸和人造丝纤维中——以再生纤维素的形式存在。

迎接微塑料挑战

剩下的问题是：我们可以做些什么来对抗自然环境中的微塑料？ 针对清除海洋环境中的微塑料而提出的方法包括利用船舶系统、废物收集系统，甚至是贻贝 (贻贝的粪便因含有塑料成分而漂浮在水面上) 。 然而，收集水的方法可能很困难，并且以这种方式直接去除现有微塑料的努力也会受到限制。

阻止微塑料进入环境的可行方法包括：利用废水处理厂、洗衣机中的洗衣配件来捕获微纤维，以及改变服装制造工艺，以尽量减少摩擦或提高服装的机械完整性。

在对CAS收录的出版物进行分析发现，与去除微塑料相关的热门关键词包括“过滤”、“废水处理厂 (WWTP) ”和“膜生物反应器 (MBR) ”（图 5）。 自2010年代中期以来，含有大多数热门关键词的出版物数量显著增长，表明人们对这个问题有迅速的反应，与去除相关的研究工作似乎同样以类似于微塑料研究的速度增长。

人们总体上减少塑料的使用也许是降低微塑料的重要办法。 使用可生物降解或可持续的替代品，如洗发皂和竹海绵，零废品商店和强调可持续发展的时尚品牌都越来越受欢迎。

与微塑料污染作斗争需要科学家、研究人员、企业家、政府和公众的长期奉献和共同努力。 世界卫生组织指出，微塑料去除工作的障碍包括现有数据的缺陷，数据的质量被认为是不可靠的。

必须进行更多的现场和实验室研究，以确定微塑料对健康的真正影响，包括它们在机体组织中的滞留和清除，以及它们的结合活性能力。 改进能够检测较小颗粒 (纳米塑料) 的分析工具是另一个重中之重。

虽然专家们认识到我们有无数种可以解决微塑料问题的方法，但去除微塑料的所需的资金以及相关的盈利能力缺乏是一个关键挑战。 财政援助和加强对塑料使用的监管法律将有助于加快迈向更可持续的塑料经济，以及更清洁、更健康的未来。 在我们的微塑料洞察报告中了解有关此主题的更多信息。

这篇合成有机化学领域详细综述是与中国国家自然科学基金会和中国科学院国家科学图书馆的合作成果，联合发表于《有机快报》 和《有机化学杂志》。本出版物回顾了 CAS 内容合集中隐藏的联系和新机遇。 选择了三个重要的研究领域：酶催化、光催化和绿色化学。 本报告将帮助研究人员和决策者了解这一领域的全球研究现状，并帮助他们预测未来有机合成的潜在前景和应用。

尽管合成有机化学是一门成熟的学科，但在过去十年中，它一直在不断发展，其目标是满足社会生活各个方面的需求。 了解有机合成的历史非常重要，因为它对化学、技术甚至人类都具有重要意义。

与中国科学院国家科学图书馆合作，这份合成有机化学的详细布局报告揭示了 CAS 内容合集中隐藏的联系和新的机遇。 从出版物趋势分析和主题专家的评论中，选择了三个重要的新兴有机合成研究领域：酶催化、光催化和绿色化学。 本报告将帮助研究人员和决策者了解这一领域的全球研究现状，并帮助他们预测未来有机合成的潜在前景和应用。