生物質(zhì)衍生復(fù)合材料的3D打印

來源：3dprint.com

紐約州立大學(xué)環(huán)境與森林學(xué)院、田納西大學(xué)、橡樹嶺國家實驗室以及田納西研究所大學(xué)的研究人員研究各種各樣的3D打印材料，尤其是側(cè)重于基于生物質(zhì)制成的復(fù)合材料。在這項研究中，研究人員專注于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)及其衍生物，回顧并分析了用于3D打印的各種3D打印材料。作者介紹說：“使用3D打印技術(shù)替代基于礦物油的塑料來開發(fā)生物質(zhì)衍生的材料將提供實現(xiàn)可持續(xù)和可再生生物經(jīng)濟的機會�！�

可再生材料已經(jīng)成為重要的研究來源，尤其是在纖維素方面。自2015年以來，已有5100項纖維素3D打印專利。作者說：“這種趨勢表明，生物質(zhì)及其組分在3D打印中的應(yīng)用已成為熱門話題，而用于3D打印的纖維素已被廣泛使用。”

使用復(fù)合材料進行3D打印的常見方法包括FDM、DIW、SLA、DLP以及粘合劑噴射技術(shù)。作者認(rèn)為，DIW 3D打印是纖維素的理想選擇，因為具有流動性的特性，這意味著它可以很好地分散在水中，起到懸浮作用�？梢酝ㄟ^這種方式創(chuàng)建水凝膠以用于各種生物打印，尤其是由于良好的流變特性、良好的屈服應(yīng)力以及有限的彈性模量和快速的彈性恢復(fù)。先前的研究推薦CNF水凝膠用于神經(jīng)生物打印。進一步的交聯(lián)和“機械性能的增強”還可創(chuàng)造智能材料，能夠?qū)Νh(huán)境變化（例如溫度或濕度水平）做出響應(yīng)并變形。

對纖維素和纖維素衍生物進行3D打印的各種研究

在SLA 3D打印中，研究人員還越來越多地使用樹脂/纖維素混合物，尤其是在材料具有生物相容性的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。

木質(zhì)素3D打印研究

作者說：“木質(zhì)素是僅次于纖維素的第二大豐富的陸地生物聚合物，但尚未得到充分利用，迄今為止，其主要用于直接燃燒�！� 因此，木質(zhì)素的增值在當(dāng)前的生物精煉過程中引起了極大的關(guān)注。鑒于木質(zhì)素有助于植物細(xì)胞壁的疏水性、抗微生物和抗氧化活性，它可以成為3D打印復(fù)合材料中的增強劑。”

木質(zhì)素具有多種潛在用途，尤其是在阻燃產(chǎn)品、抗老化和吸收紫外線方面。先前的研究也證明了其在改善拉伸性能、更好的層間附著力、使用3D打印的PLA /木質(zhì)素/四環(huán)素材料改善藥物遞送系統(tǒng)以及減少翹曲和收縮方面的用途。粘合劑噴射還用于基于淀粉的藥物遞送系統(tǒng)的實驗中。

與纖維素和木質(zhì)素的生產(chǎn)和使用相比，整個生物質(zhì)更易于處理，對物理或化學(xué)的復(fù)雜處理沒有任何要求。研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建造中的秸稈泥料的材料，木材正在成為“3D打印應(yīng)用中最受歡迎的生物質(zhì)之一”。

隨著研究人員繼續(xù)研發(fā)新的木質(zhì)復(fù)合材料，F(xiàn)DM 3D打印正被用于提高拉伸強度以及其他性能。但是，對打印參數(shù)進行實驗，對于打印材料也至關(guān)重要。

“了解生物質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)仍然很重要，同時還需要研究超分子結(jié)構(gòu)的利用，例如結(jié)晶度、材料各向異性和界面相互作用，以幫助實現(xiàn)3D打印生物質(zhì)衍生的目標(biāo)特性材料”，作者總結(jié)道，“各種參數(shù)（例如打印分辨率和零件生產(chǎn)率）只有進行進一步工程設(shè)計，才有可能使3D打印與傳統(tǒng)材料制造技術(shù)相比更具有競爭力。”

“將來，相容劑的使用和界面化學(xué)的應(yīng)用可能會增強生物質(zhì)衍生的填料與塑料的結(jié)合和分布，這可以顯著提高填料的濃度，并具有中等強度，從而減輕石油基材料的消耗。而且，為最終商業(yè)應(yīng)用量身定制的表征技術(shù)對于更好地評估打印材料的優(yōu)缺點可能很有價值�！�