《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、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?；谠诓煌崛∵^程中產(chǎn)生的官能團，納米纖維素可以進一步修飾以實現(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細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細胞生長和分化，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