目前，市面上的3D打印材料以塑料、金属、陶瓷和生物材料为主。石墨烯（Graphene），作为一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状二维材料，被认为是“神奇的材料”。它在3D打印领域的应用又有那些呢？
石墨烯（a）vs. 石墨（b）
说起石墨烯3D打印技术，不得不提的是2013年成立的Graphene 3D Lab公司，短短几年该公司就已开发出导电石墨烯3D打印线材及相关产品，顺利上市并收购其母公司Graphene Laboratories在外发行的所有股份。该公司的成功，显示出了石墨烯3D打印领域的市场前景。
Graphene 3D Lab公司开发的导电石墨烯3D打印线材及相关产品
石墨烯本身的优势就是质量轻、强度高、导电性好。而石墨烯3D打印目前主流采用的是挤出式3D打印（extrusion-based 3D printing）技术，其核心与关键正是打印过程中所用的浆料（或线材），这需要先将石墨烯及其衍生物（氧化石墨烯等）分散于合适的高粘度高分子材料或其他溶剂中形成浆料再3D打印成所需三维结构，待打印结束后，通过后处理方式（如退火等）提高石墨烯的还原程度及纯度。值得注意的是，上述3D打印过程获取的往往是石墨烯基复合材料，而添加剂会较大程度的影响石墨烯的性能（如机械强度、导电性等），因此浆料（或线材）的配制方案需要巧妙拿捏，这个配制及打印出来的结构在不同领域通常也有着不同的要求，下面针对几个不同的应用领域举例说明。
（a）用于抗拉测试的3D打印的石墨烯结构样品；（b）3D打印的石墨烯微晶格气凝胶
说到高强度，不得不提到前段时间比较热门的麻省理工学院Markus Buehler团队的研究结果。该团队利用计算机仿真模型对石墨烯的三维结构进行仿真制造，并在假设没有缺陷的情况下对其强度进行了分析，结果显示该结构的极限拉伸强度（2.7GPa）比普通钢铁高10倍。此外，利用3D打印制备的石墨烯三维结构（如图3a所示）还进一步体现了三维结构及石墨烯材料的优势。虽然该打印的螺旋二十四面体（Gyroid）结构的体积是实际体积的21个数量级之大，但在一定程度上仍印证了石墨烯在该领域的前景。
美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Marcus A. Worsley团队也利用3D打印技术获得了石墨烯微晶格气凝胶（如图3b所示）。该打印的浆料是将氧化石墨烯超声分散于水中，再混入增强剂（如气相二氧化硅等）获得，3D打印结束后于氮气中高温（1050℃）退火处理进行热还原，再利用化学溶剂刻蚀掉二氧化硅等物质，从而获得纯石墨烯微晶格气凝胶。将该结构与普通块体石墨烯的机械性能测试对比，结果表明3D打印的石墨烯更具优势，其杨氏模量值高出一个数量级。
其实除了高机械性能外，石墨烯材料已在很多功能器件里得到应用，一个典型的例子就是电化学储能器件，其主要包括电池和超级电容器，而三明治结构和平面型结构是目前的两个主流构型。Graphene 3D Lab公司就推出的3D打印石墨烯材料组装了三明治结构电池（图4），但该公司没有透露具体材料参数及打印细节，据推测该电池材料中除石墨烯外，还包括其他具有电化学活性的物质，其中石墨烯起着很重要的电化学及机械性能增强作用。
Graphene 3D Lab展示的3D打印石墨烯基电池
在工业界以外，很多科研院所也注意到3D打印技术在电池领域的可行性。伊利诺伊大学香槟分校Shen J. Dillon课题组联合哈佛大学的Jennifer A. Lewis课题组于2013年率先利用3D打印技术打印出微型锂离子电池器件。随后在2016年，马里兰大学的Liangbing Hu课题组注意到了石墨烯在这一领域的优势，他们通过引入氧化石墨烯制得石墨烯-活性无机材料（磷酸铁锂或钛酸锂）基复合浆料，然后采用高温热处理将氧化石墨烯进行了还原得到微型电池，其具有良好的电化学性能，这主要得益于石墨烯较高的电导率和比表面积。由此可以看出，科研院所与工业领域的公司有着不同的关注点，科研人员更多着眼于未来，公司更多关注产品的性价比及规模化生产等，比如储能机理等其它特性在科学方面的解释和探索。
由于其本身较好的机械性能与导电性，石墨烯材料在生物医学方面也独具优势。美国西北大学Ramille N. Shah和Mark C. Hersam研究组利用挤出式3D打印技术打印出石墨烯与一种可降解聚酯（PLG）形成的复合材料。由于其独特的浆料配方，其中占据较大组分的石墨烯（质量分数达75%）使得打印出来的结构具有较好的电导和机械性能，而PLG组分是一种具有生物相容性的材料，能够保证结构柔韧性和稳定性。同时，其打印精度可达100微米以下（打印速度40毫米/秒）。打印出来的三维结构还被证实可以较稳定的应用于生物医学方面。研究团队往打印的石墨烯基支架上注入干细胞，其存活了下来接着便继续分裂、增殖，最后转化成类似神经元的细胞，其最终的结果相当出色。
