《small》綜述：3D打印納米纖維素的創(chuàng)新應(yīng)用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

纖維素納米原纖維 （CNFs） 和纖維素納米晶體 （CNCs） 是具有獨特機械性能和幾何形狀的納米級材料，近年來因其廣泛的應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。

近期，麥吉爾大學(xué)Wang Yixiang/Tong Yuqi和天津科技大學(xué)劉葦教授團(tuán)隊關(guān)注了CNFs和CNCs輔助3D打印在醫(yī)學(xué)、食品、工程和建筑領(lǐng)域的最新進(jìn)展，總結(jié)了用于3D打印的各種類型的CNF和CNC（方案1）。相關(guān)研究成果以“Innovative Applications of Nanocellulose in 3D Printing: A Review”為題于2024年12月10日發(fā)表在《small》上。

方案1 納米纖維素的制備及應(yīng)用

纖維素是一種線性多糖，是地球上最豐富的生物聚合物纖維素分子可以有規(guī)律地排列成兩種主要形式，即纖維素納米晶體（CNCs）和纖維素納米原纖維（CNFs）。CNFs通常通過TEMPO氧化獲得，所產(chǎn)生的羧甲基提高了CNFs在水中的分散性和膠體穩(wěn)定性（圖1A）。CNFs具有獨特的幾何形狀，其特征是帶狀結(jié)構(gòu)、高寬高比，以及形成糾纏網(wǎng)絡(luò)的能力，其直徑為幾納米，長度為幾微米（圖1B）。目前，已有研究者將PLA接枝的CNFs用作抑制劑和強化劑，制備可3D打印的強韌性聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）基復(fù)合材料（圖1C）。   

CNCs通常是通過去除大部分非晶態(tài)區(qū)域，從而保留高結(jié)晶區(qū)域來生產(chǎn)的（圖1D）。目前，硫酸水解仍然是主要的方法，產(chǎn)生的納米纖維素具有37至55.6 mV的zeta電位。表1總結(jié)了近5年來CNFs和CNCs的代表性來源、改進(jìn)、3D打印方法、合并技術(shù)及其優(yōu)勢。

圖1 CNFs和CNCs的制備、性能及在3D打印中的應(yīng)用

表1 CNFs和CNCs的代表性來源/優(yōu)化和3D打印方法（部分）

納米纖維素來源于木材、棉花和農(nóng)業(yè)廢料等可再生資源，具有尺寸和機械性能方面的特殊優(yōu)勢。在3D打印油墨中加入納米纖維素，可以在保持剪切減薄性能的同時，通過增加油墨的粘度，大大提高打印性能。基于在不同提取過程中產(chǎn)生的官能團(tuán)，納米纖維素可以進(jìn)一步修飾以實現(xiàn)各種功能，使其成為3D打印的一種非常有吸引力的材料。作者總結(jié)了CNFs和CNCs對3D打印過程中油墨性能的影響（圖2）。

圖2 CNFs和CNCs對3D打印過程中油墨性能的影響

納米纖維素（主要是CNFs和CNCs）的獨特特性使其適合3D打印，從而能夠創(chuàng)建各種結(jié)構(gòu)和材料，利用納米纖維素作為增強劑增強3D打印物品的尺寸穩(wěn)定性是主要的研究重點（圖3）。

圖3 納米纖維素作為增強劑增強3D打印物品的尺寸穩(wěn)定性

CNFs和CNCs因其生物相容性、可生物降解性、低毒性以及改善機械性能和促進(jìn)細(xì)胞增殖的能力而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。作者介紹了其在生物醫(yī)學(xué)（圖4）、食品（圖5）、環(huán)境（圖6）、導(dǎo)電材料（圖7）和其他功能材料中的應(yīng)用。

圖4 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用   

圖5 在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

圖6 在導(dǎo)電材料的應(yīng)用   

圖7 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，納米纖維素輔助3D打印技術(shù)已成為組織工程和藥物輸送領(lǐng)域的研究熱點。結(jié)構(gòu)明確的打印支架可以促進(jìn)細(xì)胞生長和分化，提供機械支持，而個性化的給藥系統(tǒng)可以更好地改善藥物的藥代動力學(xué)和生物利用度，降低毒性，提高治療效果。

然而，在優(yōu)化這些支架的制造工藝以確保均勻性和可重復(fù)性方面仍然存在挑戰(zhàn)。此外，納米纖維素在體內(nèi)的長期生物相容性和降解率需要深入研究，以確保其在臨床應(yīng)用中的安全性和有效性。研究結(jié)合納米纖維素和其他生物聚合物的混合材料可以進(jìn)一步增強其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的功能。

納米纖維素薄膜具有優(yōu)異的阻隔性能，可以保護(hù)食品免受水分、氧氣和紫外線的侵害，從而延長保質(zhì)期，保持食品質(zhì)量。此外，在納米纖維素包裝中摻入抗菌劑可以有效抑制腐敗微生物的生長，提高食品安全性。盡管有這些優(yōu)勢，納米纖維素在食品包裝中的商業(yè)應(yīng)用面臨著消費者接受度和監(jiān)管障礙等挑戰(zhàn)。確保納米纖維素產(chǎn)品具有成本效益并可大規(guī)模生產(chǎn)是至關(guān)重要的。研究消費者的看法和納米纖維素包裝對環(huán)境的影響將是其成功融入市場的關(guān)鍵。   

在電子領(lǐng)域，納米纖維素固有的電學(xué)特性，加上它的機械靈活性，使它適合應(yīng)用于傳感器、顯示器和能量存儲設(shè)備。需要研究提高其導(dǎo)電性并將其與現(xiàn)有電子材料有效集成。此外，需要開發(fā)可擴展的生產(chǎn)方法，以確保一致性。

納米纖維素在環(huán)境方面的應(yīng)用，如水凈化和土壤修復(fù)，其高表面積和孔隙率使其成為污染物、重金屬和有機污染物的有效吸附劑。此外，它的可生物降解性使其成為可持續(xù)環(huán)境解決方案的一個有吸引力的選擇。盡管具有潛力，但納米纖維素在環(huán)境應(yīng)用中的實際實施需要進(jìn)一步研究，以優(yōu)化其在現(xiàn)實條件下的性能。研究納米纖維素與各種污染物之間的相互作用對于制定有效的修復(fù)策略至關(guān)重要。此外，評估大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性對于在環(huán)境管理中采用這種方法至關(guān)重要。

文章來源：https://doi.org/10.1002/smll.202407956