生物基材料的新進展，3D打印復雜的纖維素基物體

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）的研究人員創造了新的世界紀錄：他們進行3D打印的復雜物體，其纖維素含量高于任何其他增材制造的纖維素基部件。為了實現這一目標，他們使用了一個巧妙的技巧。

由纖維素復合材料制成的3D打印耳軟骨仿制品。圖片：Michael Hausmann/ETH Zurich/Empa

樹木和其他植物處于領先地位：它們自己生產纖維素，并利用其建造具有非凡機械性能的復雜結構。這使纖維素對尋求生產具有特殊功能的可持續產品的材料科學家具有吸引力。然而，將材料加工成具有高纖維素含量的復雜結構仍然是材料科學家面臨的巨大挑戰。ETH和Empa的一組研究人員現在已經找到了一種使用3-D打印處理纖維素的方法，以創建幾乎無限復雜的對象，其中包含高水平的纖維素顆粒。

先打印，再固化

為此，研究人員將通過直接墨水打印（DIW）方法進行的打印與隨后的固化工藝相結合，以將打印對象的纖維素含量提高到27％的體積分數。他們的工作最近發表在《高級功能材料》雜志上。ETH和Empa研究人員不是第一個使用3-D打印機處理纖維素的人。然而，先前的方法，也使用含纖維素的墨水，還不能生產具有如此高的纖維素含量和復雜性的固體物體。

印刷油墨的組成非常簡單。它僅由分散有幾百納米的纖維素顆粒和纖維的水組成。纖維素含量為墨水量的6％至14％。

溶劑浴使纖維素致密

ETH研究人員使用以下技巧使印刷的纖維素產品致密化：在打印纖維素基墨水后，他們將物體放入有機溶劑浴中。由于纖維素不喜歡有機溶劑，因此顆粒易于聚集。該過程導致印刷部分的收縮，并因此導致材料內纖維素顆粒的相對量顯著增加。下一步，科學家將物體浸泡在含有光敏塑料前體的溶液中。通過蒸發除去溶劑，塑料前體滲透到纖維素基支架中。接下來，為了將塑料前體轉化為固體塑料，他們將物體暴露在紫外線下。由此制得的纖維素含量為上述復合材料體積的27％。豪斯曼說：“致密化工藝使我們可以從體積百分比為6％到14％的水-纖維素混合物開始，最后以27％的纖維素納米晶體復合物結束。”

網格。圖片：M. Hausmann/ETH/Empa

可以預先確定彈性

似乎還不夠，取決于所用塑料前體的類型，研究人員可以調整打印物體的機械性能，例如其彈性或強度。這使他們可以根據應用程序創建硬零件或軟零件。

使用這種方法，研究人員能夠制造各種復合物體，包括一些微妙的性質，例如僅1毫米厚的火焰雕塑。但是，壁厚大于5毫米的印刷部件的致密化會導致結構變形，因為致密化對象的表面收縮速度快于其核心。

蜂窩狀結構。圖片：M. Hausmann/ETH/Empa

與木材的纖維取向相似

研究人員使用X射線分析和機械測試研究了他們的物體。他們的發現表明，纖維素納米晶體的排列與天然材料中的相似。ETH教授安德烈·斯圖達特（André Studart）研究小組的高級助理拉斐爾·利巴諾里（Rafael Libanori）說：“這意味著我們可以控制打印對象的纖維素微結構，以制造類似于生物系統的微結構材料，例如木材。”

吊鉤可能支撐數公斤。圖片：M. Hausmann/ETH/Empa

3D打印的零件仍然很小，可以說是實驗室規模。但是，從定制包裝到用于耳朵的軟骨植入物，有許多潛在的應用。研究人員還根據人類模型印制了一只耳朵。在將這種產品用于臨床實踐之前，需要更多的研究，尤其是臨床試驗。這種纖維素技術也可能會引起汽車行業的興趣。日本汽車制造商已經制造出一種跑車的原型，其車身部件幾乎完全由纖維素基材料制成。

花瓶和軟管噴嘴。圖片：M. Hausmann/ETH/Empa