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生物基材料的新进展,3D打印复杂的纤维素基物体

       苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的研究人员创造了新的世界纪录:他们进行3D打印的复杂物体,其纤维素含量高于任何其他增材制造的纤维素基部件。为了实现这一目标,他们使用了一个巧妙的技巧。

由纤维素复合材料制成的3D打印耳软骨仿制品

由纤维素复合材料制成的3D打印耳软骨仿制品。图片:Michael Hausmann/ETH Zurich/Empa

      树木和其他植物处于领先地位:它们自己生产纤维素,并利用其建造具有非凡机械性能的复杂结构。这使纤维素对寻求生产具有特殊功能的可持续产品的材料科学家具有吸引力。然而,将材料加工成具有高纤维素含量的复杂结构仍然是材料科学家面临的巨大挑战。ETH和Empa的一组研究人员现在已经找到了一种使用3-D打印处理纤维素的方法,以创建几乎无限复杂的对象,其中包含高水平的纤维素颗粒。

先打印,再固化

       为此,研究人员将通过直接墨水打印(DIW)方法进行的打印与随后的固化工艺相结合,以将打印对象的纤维素含量提高到27%的体积分数。他们的工作最近发表在《高级功能材料》杂志上。ETH和Empa研究人员不是第一个使用3-D打印机处理纤维素的人。然而,先前的方法,也使用含纤维素的墨水,还不能生产具有如此高的纤维素含量和复杂性的固体物体。

印刷油墨的组成非常简单。它仅由分散有几百纳米的纤维素颗粒和纤维的水组成。纤维素含量为墨水量的6%至14%。

 溶剂浴使纤维素致密

      ETH研究人员使用以下技巧使印刷的纤维素产品致密化:在打印纤维素基墨水后,他们将物体放入有机溶剂浴中。由于纤维素不喜欢有机溶剂,因此颗粒易于聚集。该过程导致印刷部分的收缩,并因此导致材料内纤维素颗粒的相对量显着增加。下一步,科学家将物体浸泡在含有光敏塑料前体的溶液中。通过蒸发除去溶剂,塑料前体渗透到纤维素基支架中。接下来,为了将塑料前体转化为固体塑料,他们将物体暴露在紫外线下。由此制得的纤维素含量为上述复合材料体积的27%。豪斯曼说:“致密化工艺使我们可以从体积百分比为6%到14%的水-纤维素混合物开始,最后以27%的纤维素纳米晶体复合物结束。”


网格。图片:M. Hausmann/ETH/Empa

可以预先确定弹性

        似乎还不够,取决于所用塑料前体的类型,研究人员可以调整打印物体的机械性能,例如其弹性或强度。这使他们可以根据应用程序创建硬零件或软零件。

使用这种方法,研究人员能够制造各种复合物体,包括一些微妙的性质,例如仅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会导致结构变形,因为致密化对象的表面收缩速度快于其核心。


蜂窝状结构。图片:M. Hausmann/ETH/Empa

与木材的纤维取向相似

    研究人员使用X射线分析和机械测试研究了他们的物体。他们的发现表明,纤维素纳米晶体的排列与天然材料中的相似。ETH教授安德烈·斯图达特(André Studart)研究小组的高级助理拉斐尔·利巴诺里(Rafael Libanori)说:“这意味着我们可以控制打印对象的纤维素微结构,以制造类似于生物系统的微结构材料,例如木材。”

吊钩可能支撑数公斤

吊钩可能支撑数公斤。图片:M. Hausmann/ETH/Empa

      3D打印的零件仍然很小,可以说是实验室规模。但是,从定制包装到用于耳朵的软骨植入物,有许多潜在的应用。研究人员还根据人类模型印制了一只耳朵。在将这种产品用于临床实践之前,需要更多的研究,尤其是临床试验。这种纤维素技术也可能会引起汽车行业的兴趣。日本汽车制造商已经制造出一种跑车的原型,其车身部件几乎完全由纤维素基材料制成。


花瓶和软管喷嘴。图片:M. Hausmann/ETH/Empa

(责任编辑:中国3D打印网)