東北林業(yè)大學李健教授與伊迪斯科文大學張來昌教授：生物質(zhì)材料及其在4D打印中的應用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

4D打印技術(shù)可生產(chǎn)能響應外部刺激的結(jié)構(gòu)，然而具備形狀記憶特性的智能材料在響應性和可打印性方面存在局限。東北林業(yè)大學李健教授團隊與伊迪斯科文大學的張來昌教授 在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上發(fā)表了綜述“Biomass materials and their application in 4D printing”。文章總結(jié)了4D打印中植物基、動物基和微生物基等不同來源生物質(zhì)材料的研究進展，探討了含生物質(zhì)材料的打印物體的響應變形機制及生物質(zhì)材料在其中的作用與獨特優(yōu)勢，提出了生物制造技術(shù)在整合生物質(zhì)材料與4D打印中的關(guān)鍵作用，以及當前生物質(zhì)材料在4D打印中面臨的挑戰(zhàn)和潛在未來方向的觀點。


4D打印包含智能材料、打印工藝及設(shè)備、外部刺激和響應結(jié)構(gòu)這四個組成部分，通過這四個部分實現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)隨時間響應環(huán)境刺激轉(zhuǎn)變。

圖 1. 4D打印的一般流程示意圖

植物基、動物基、微生物基這三類生物質(zhì)材料在3D打印中的應用領(lǐng)域，如植物基用于食品打印，動物基用于生物醫(yī)學等。

圖 2. 三類生物質(zhì)材料及其3D打印應用領(lǐng)域圖

通過CiteSpace軟件分析近五年4D打印相關(guān)天然材料的323篇文獻，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡有67個節(jié)點、316條連接線，聚類結(jié)構(gòu)可靠。

圖 3. 4D打印相關(guān)天然材料的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖

不同來源（植物、動物、微生物）生物質(zhì)材料在4D打印中的應用情況，包括墨水組成、變形機制等，如植物基的纖維素用于濕度響應，動物基的殼聚糖用于pH響應。

圖 4. 不同來源生物質(zhì)材料在4D打印中的應用概況圖

植物、動物、微生物基生物質(zhì)材料的分子結(jié)構(gòu)，如纖維素含羥基，殼聚糖含氨基和羧基，這些結(jié)構(gòu)包含多種功能基團。

圖 5. 各類生物質(zhì)材料的分子結(jié)構(gòu)示意圖

纖維素及其衍生物（羧甲基纖維素、甲基纖維素）在4D打印中的應用，通過水合/脫水、濕度等刺激實現(xiàn)可逆形狀變化，可制備花瓣結(jié)構(gòu)、自適應遮陽系統(tǒng)等。

圖 6. 纖維素及其衍生物在4D打印中的應用及變形圖

納米纖維素（纖維素納米晶體、纖維素納米纖維）在4D打印中能增強材料機械性能和形狀記憶特性，響應熱、水等刺激，用于生物醫(yī)學、軟夾持器等領(lǐng)域。

圖 7. 納米纖維素在4D打印中的應用及變形效果示意圖

木質(zhì)素基水凝膠在吸附、傳感、藥物載體等方面的應用，具有pH、溫度、光等響應性，可用于鈾吸附、呼吸傳感器、藥物緩釋等。

圖 8. 木質(zhì)素基水凝膠的多種應用及響應機制圖

木質(zhì)素復合材料、海藻酸鈉、淀粉、植物蛋白、果膠等植物基生物質(zhì)材料在4D打印中響應光、溫度、pH等刺激，發(fā)生形狀或顏色變化，用于軟執(zhí)行器、食品打印等領(lǐng)域。

圖 9. 多種植物基生物質(zhì)材料在4D打印中的應用示例圖

殼聚糖、明膠等動物基生物質(zhì)材料在4D打印中響應溶劑、熱、磁等刺激，實現(xiàn)形狀變化，用于軟機器人、組織工程等領(lǐng)域。

圖 10. 動物基生物質(zhì)材料在4D打印中的應用及變形示意圖

黃原膠等微生物基生物質(zhì)材料在4D打印中通過pH、氨等刺激實現(xiàn)顏色變化，用于監(jiān)測魚糜等食品的新鮮度。

圖 11. 微生物基生物質(zhì)材料在4D打印中的應用及變色監(jiān)測圖

生物質(zhì)材料打印的結(jié)構(gòu)多樣性，可打印花朵、蝴蝶、夾持器等結(jié)構(gòu)，在刺激下發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。

圖 12. 生物質(zhì)材料打印的不同結(jié)構(gòu)及其變形模式圖

生物質(zhì)材料在4D打印中的未來研究方向，包括新材料開發(fā)、墨水優(yōu)化、增材制造技術(shù)改進等。

圖 13. 生物質(zhì)材料在4D打印中的未來研究方向示意圖

作者簡介

李健
東北林業(yè)大學
李健，東北林業(yè)大學機電工程學院教授，博導，副院長，教授委員會主任，機械專業(yè)學位碩士負責人。中國機械工程學會、中國林學會高級會員，黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，東北林業(yè)大學3D打印材料與技術(shù)研究中心主任。長期從事生物質(zhì)材料增材制造技術(shù)及仿生軟體機器人研究。主持國家自然科學基金項目、中國博士后特別資助項目、黑龍江省自然科學基金優(yōu)青項目、中央引導地方項目等10余項。曾獲粱?？萍歼M步三等獎、黑龍江省科學技術(shù)進步三等獎、黑龍江省科技發(fā)明三等獎等多項科技獎勵。授權(quán)國家發(fā)明專利和實用新型專利近30項，出版教材、專著4部，獲黑龍江省教學成果二等獎2項。

張來昌
伊迪斯科文大學
張來昌，澳大利亞伊迪斯·科文大學終身教授、先進材料與制備中心主任、德國“洪堡”學者、全球高被引科學家、國際先進材料協(xié)會（IAAM）“桂冠獎”獲得者。張教授畢業(yè)于中科院金屬研究所并獲得博士學位，先后就職于德國達姆斯塔特工業(yè)大學和萊布尼茨固體材料研究所、澳大利亞伍倫貢大學、西澳大學和伊迪斯·科文大學。其研究興趣主要包括增材制造、生物材料、輕量化材料和結(jié)構(gòu)、高強度材料等。迄今為止，已出版英文專著3本，在Science、Progress in Materials Science、Materials Science Engineering R: Reports、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today、Acta Materialia、Advanced Powder Materials、International Journal of Extreme Manufacturing等國際著名學術(shù)期刊發(fā)表論文400余篇，H指數(shù)為92，引用次數(shù)超過3.1萬次。其部分研究成果已在澳大利亞國家電視臺新聞頻道全球直播采訪和《訪談》采訪報道、中央電視臺（CCTV-4）、新華社、《科技日報》和美國《高等教育紀事報》等知名媒體報道。現(xiàn)擔任超過10本學術(shù)期刊的主編、（副）編輯或編委，如Advanced Powder Materials, International Journal of Extreme Manufacturing, International Journal of Mining Science and Technology, Advanced Engineering Materials, Acta Metallurgica Sinica (English Letters)等。

文章來源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/add81c