植物可以被用来3D打印？

材料牛注：纤维素来源广泛，可生物再生，可降解，但是其热稳定性较差，所以在3D打印领域应用受限。本文介绍了一种利用纤维素进行3D打印的新思路，有望使得纤维素在3D打印领域商业化。

几个世纪以来，纸一直是世界上应用最多的印刷材料，而纸的基本组成是纤维素。现在，由于麻省理工大学的最新研究，纤维素摇身一变，变身为一种来源广泛的3D打印材料了。它因为具有可再生、可生物降解的潜在优势而可能成为现用3D打印材料——聚合物的替代品。

麻省理工的博士后Sebastian Pattinson介绍说：“纤维素是世界上最丰富的有机聚合物。”他作为第一作者在Advanced Materials Technologies上发表了一篇描述这种新系统的论文。这篇文章的合作作者是机械工程系的副教授A. John Hart，他同时也是三井当代技术职业发展教师。

Pattinson解释说，“纤维素是赋予木材机械强度性质的最重要的组成成分。并且因为纤维素十分便宜、可生物再生、可生物降解和化学多功能性，所以被用在很多产品上面。例如，纤维素及其衍生物被用在药物、医疗器械、食品添加剂、建筑材料和服装等各种不同的领域。其中的很多产品将会受益于3D打印带来的个性化定制。”与此同时，3D打印正在迅速发展。除了其他的好处，“它可以让你单独的定做每一个产品”，Pattinson说。

将纤维素用作增材制作的材料已经不是什么新想法了，有很多的研究人员进行了尝试，但是遇到了重大阻碍。当加热的时候，纤维素还没有熔融就会热分解，有一部分原因是纤维素分子间存在氢键。这种分子间键会使高浓度的纤维素溶液粘度过高而不容易挤出。

麻省理工的团队选择了醋酸纤维素来进行3D打印，醋酸纤维素很容易由纤维素制得并且已经广泛生产。从机理上看，醋酸基团可以减少材料中氢键的数量。醋酸纤维素可以溶解在丙酮中然后通过喷嘴挤出。随着丙酮的快速蒸发，醋酸纤维素在恰当的地方固化成型，随后选择性替代掉醋酸基团来增加强度。

Pattinson说：“我们3D打印之后又通过氢氧化钠处理恢复了氢键网络。我们发现我们得到的那部分材料的强度和硬度比以前常用的材料都要好。”对于3D打印来说，常用材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）树脂和聚乳酸（PLA）。

为了说明在生产过程中可以对产品进行功能化，Pattinson和Hart进行了一个新颖的创新。通过向醋酸纤维素溶液中添加少量的抗菌染料，他们3D打印的一对手术镊子具有了抗菌功能。

Pattinson自豪地说：“我们证实了当你用荧光灯照射镊子时，它会杀死细菌。在需要手术器械但是新器械又难以送到或者是需要定制器械的地方，这些定制器械对远程医疗设施会是很有用的。如果手术室的无菌性不理想的话，那这种抗菌性就很重要了。

因为现有的挤出成型3D打印机依靠加热聚合物来使它流动，所以它的生产速度受限于聚合物分解之前所能吸收的热量。Pattinson介绍到，他们室温下纤维素的处理过程只是简单地依赖于丙酮的挥发使纤维素成形，所以可能会更快。并且，还有各种方法来进一步加速这个过程，比如放在薄丝带上使表面积最大，或者吹热空气加速挥发。一个好的生产系统也要争取实现挥发丙酮的回收利用来提高生产过程的经济性和环境友好性。

目前，醋酸纤维素作为一种商品已经被广泛应用。研究人员说，大批量的醋酸纤维素在价格上可以和用于注射成型的热塑料相比拟，并且比3D打印所用的典型单纤维材料便宜很多。这一点再加上室温操作和纤维素的易功能化就使得它具有了商业化的潜力。

原文链接：3D Printing With Plants.

文献链接：Additive Manufacturing of Cellulosic Materials with Robust Mechanics and Antimicrobial Functionality.

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，陈国鹏编译，王子鸣审核；点我加入材料人编辑部。

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