多年来，纤维素一直是世界上最丰富的打印材料——纸的成分。如今，一项来自MIT的新研究表明具有可再生、生物降解性能的纤维素也可能是目前3D打印材料最丰富的替代物。
“纤维素是世界上最丰富的有机高分子。”MIT博士后Sebastian Pattinson说道，他是这篇发表在Advanced Materials Technologies上的新研究的第一作者，机械工程学副教授A. John Hart论文的共同作者。
Pattinson解释说：“纤维素是树木具有机械性能的最重要的组分。因为纤维素成本低、可再生、可生物降解以及可化学修饰性，因此它用于许多产品中。同时纤维素及其衍生物也在药物、医学器械、食品添加剂、建筑材料及丝织品中使用。基于3D打印的私人订制将使这些产品用处更大。”同时，3D打印技术是一项飞速发展的新技术，它允许你对每个产品都进行私人定制。
使用纤维素作为增材制造的材料并不新颖，有许多研究人员已经进行了尝试，但是遇到诸多障碍。例如加热的时候，纤维素会发生热降解，部分原因是因为纤维素分子之间存在氢键，这些分子间氢键也使得高浓度的纤维素太粘稠以至于难以挤出。
为了避免这些问题，MIT的这个团队选择了醋酸纤维素，这是一种很容易由纤维素获得的材料，同时应用广泛。这种材料中的分子间氢键由于醋酸化而大大减少。醋酸纤维素可以溶在丙酮中并由喷嘴喷出，由于丙酮快速蒸发，醋酸纤维素就可以在合适的位置凝固，随后再经过优化处理取代醋酸基团，以此增加打印器械的强度。
“3D打印之后，我们通过氢氧化钠处理恢复了纤维素的分子间氢键。”Pattinson说道，“我们发现材料的强度和韧性性能优于大多目前常用3D打印材料，如丙烯腈和聚乳酸等。”
为了展示这个生产过程的化学可修饰性，Pattinson和Hart在醋酸纤维素墨水中加入了抗菌染料，随后打印制造了一双具有抗菌功能的医用镊子。
“我们的结果表明当使用荧光照射时，这部分材料可以杀菌。”Pattinson说道，“这种定制的工具对于远程医疗至关重要，例如手术工具坏了，但是很难快速供应新的工具。如果手术室灭菌不完全，那么材料自身就必须具备抗菌功能。”
因为现有的基于挤出成型的3D打印大多数通过加热使高分子流动，由于高分子耐受的热量受限，因此生产速度也会受限。而这种通过丙酮蒸发固化材料的室温纤维素加工过程生产速度更快。同时还可以通过一系列其他手段加快生产速度，如让材料更薄以增加表面积或者吹热空气加速丙酮挥发等。此外，还可以通过生产线回收蒸发的丙酮，使生产过程成本更低、对环境更友好。
研究人员解释道，醋酸纤维素已经在日常用品中广泛使用，材料价格与注射成型用的热塑性材料价格相当，同时比用于3D打印的材料便宜，再加上室温的加工条件及可功能化修饰的优势，使得这种方法更具有商业价值。
来源：高分子科学前沿 瀚海
参考文献：Sebastian W. Pattinson et al, Additive Manufacturing of CellulosicMaterials with Robust Mechanics and Antimicrobial Functionality, AdvancedMaterials Technologies (2017). DOI: 10.1002/admt.201600084
链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600084/abstract
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