纖維素來源廣泛，可生物再生，可降解，但是其熱穩定性較差，所以在3D打印領域應用受限。本文介紹了一種利用纖維素進行3D打印的新思路，有望使得纖維素在3D打印領域商業化。

    幾個世紀以來，紙一直是世界上應用最多的印刷材料，而紙的基本組成是纖維素。現在，由于麻省理工大學的最新研究，纖維素搖身一變，變身為一種來源廣泛的3D打印材料了。它因為具有可再生、可生物降解的潛在優勢而可能成為現用3D打印材料——聚合物的替代品。

    麻省理工的博士后Sebastian Pattinson介紹說：“纖維素是世界上最豐富的有機聚合物。”他作為第一作者在Advanced Materials Technologies上發表了一篇描述這種新系統的論文。這篇文章的合作作者是機械工程系的副教授A. John Hart，他同時也是三井當代技術職業發展教師。

    Pattinson解釋說，“纖維素是賦予木材機械強度性質的最重要的組成成分。并且因為纖維素十分便宜、可生物再生、可生物降解和化學多功能性，所以被用在很多產品上面。例如，纖維素及其衍生物被用在藥物、醫療器械、食品添加劑、建筑材料和服裝等各種不同的領域。其中的很多產品將會受益于3D打印帶來的個性化定制。”與此同時，3D打印正在迅速發展。除了其他的好處，“它可以讓你單獨的定做每一個產品”，Pattinson說。

    將纖維素用作增材制作的材料已經不是什么新想法了，有很多的研究人員進行了嘗試，但是遇到了重大阻礙。當加熱的時候，纖維素還沒有熔融就會熱分解，有一部分原因是纖維素分子間存在氫鍵。這種分子間鍵會使高濃度的纖維素溶液粘度過高而不容易擠出。

    麻省理工的團隊選擇了醋酸纖維素來進行3D打印，醋酸纖維素很容易由纖維素制得并且已經廣泛生產。從機理上看，醋酸基團可以減少材料中氫鍵的數量。醋酸纖維素可以溶解在丙酮中然后通過噴嘴擠出。隨著丙酮的快速蒸發，醋酸纖維素在恰當的地方固化成型，隨后選擇性替代掉醋酸基團來增加強度。

    Pattinson說：“我們3D打印之后又通過氫氧化鈉處理恢復了氫鍵網絡。我們發現我們得到的那部分材料的強度和硬度比以前常用的材料都要好。”對于3D打印來說，常用材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）樹脂和聚乳酸（PLA）。

    為了說明在生產過程中可以對產品進行功能化，Pattinson和Hart進行了一個新穎的創新。通過向醋酸纖維素溶液中添加少量的抗菌染料，他們3D打印的一對手術鑷子具有了抗菌功能。

    Pattinson自豪地說：“我們證實了當你用熒光燈照射鑷子時，它會殺死細菌。在需要手術器械但是新器械又難以送到或者是需要定制器械的地方，這些定制器械對遠程醫療設施會是很有用的。如果手術室的無菌性不理想的話，那這種抗菌性就很重要了。

    因為現有的擠出成型3D打印機依靠加熱聚合物來使它流動，所以它的生產速度受限于聚合物分解之前所能吸收的熱量。Pattinson介紹到，他們室溫下纖維素的處理過程只是簡單地依賴于丙酮的揮發使纖維素成形，所以可能會更快。并且，還有各種方法來進一步加速這個過程，比如放在薄絲帶上使表面積最大，或者吹熱空氣加速揮發。一個好的生產系統也要爭取實現揮發丙酮的回收利用來提高生產過程的經濟性和環境友好性。

    目前，醋酸纖維素作為一種商品已經被廣泛應用。研究人員說，大批量的醋酸纖維素在價格上可以和用于注射成型的熱塑料相比擬，并且比3D打印所用的典型單纖維材料便宜很多。這一點再加上室溫操作和纖維素的易功能化就使得它具有了商業化的潛力。

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責任編輯：劉洋

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