《small》综述：3D打印纳米纤维素的创新应用

来源：EFL生物3D打印与生物制造

纤维素纳米原纤维 （CNFs） 和纤维素纳米晶体 （CNCs） 是具有独特机械性能和几何形状的纳米级材料，近年来因其广泛的应用而受到广泛关注。

近期，麦吉尔大学Wang Yixiang/Tong Yuqi和天津科技大学刘苇教授团队关注了CNFs和CNCs辅助3D打印在医学、食品、工程和建筑领域的最新进展，总结了用于3D打印的各种类型的CNF和CNC（方案1）。相关研究成果以“Innovative Applications of Nanocellulose in 3D Printing: A Review”为题于2024年12月10日发表在《small》上。

方案1 纳米纤维素的制备及应用

纤维素是一种线性多糖，是地球上最丰富的生物聚合物纤维素分子可以有规律地排列成两种主要形式，即纤维素纳米晶体（CNCs）和纤维素纳米原纤维（CNFs）。CNFs通常通过TEMPO氧化获得，所产生的羧甲基提高了CNFs在水中的分散性和胶体稳定性（图1A）。CNFs具有独特的几何形状，其特征是带状结构、高宽高比，以及形成纠缠网络的能力，其直径为几纳米，长度为几微米（图1B）。目前，已有研究者将PLA接枝的CNFs用作抑制剂和强化剂，制备可3D打印的强韧性聚双环戊二烯（PDCPD）基复合材料（图1C）。   

CNCs通常是通过去除大部分非晶态区域，从而保留高结晶区域来生产的（图1D）。目前，硫酸水解仍然是主要的方法，产生的纳米纤维素具有37至55.6 mV的zeta电位。表1总结了近5年来CNFs和CNCs的代表性来源、改进、3D打印方法、合并技术及其优势。

图1 CNFs和CNCs的制备、性能及在3D打印中的应用

表1 CNFs和CNCs的代表性来源/优化和3D打印方法（部分）

纳米纤维素来源于木材、棉花和农业废料等可再生资源，具有尺寸和机械性能方面的特殊优势。在3D打印油墨中加入纳米纤维素，可以在保持剪切减薄性能的同时，通过增加油墨的粘度，大大提高打印性能。基于在不同提取过程中产生的官能团，纳米纤维素可以进一步修饰以实现各种功能，使其成为3D打印的一种非常有吸引力的材料。作者总结了CNFs和CNCs对3D打印过程中油墨性能的影响（图2）。

图2 CNFs和CNCs对3D打印过程中油墨性能的影响

纳米纤维素（主要是CNFs和CNCs）的独特特性使其适合3D打印，从而能够创建各种结构和材料，利用纳米纤维素作为增强剂增强3D打印物品的尺寸稳定性是主要的研究重点（图3）。

图3 纳米纤维素作为增强剂增强3D打印物品的尺寸稳定性

CNFs和CNCs因其生物相容性、可生物降解性、低毒性以及改善机械性能和促进细胞增殖的能力而在生物医学领域显示出潜在的应用前景。作者介绍了其在生物医学（图4）、食品（图5）、环境（图6）、导电材料（图7）和其他功能材料中的应用。

图4 在生物医学中的应用   

图5 在食品领域的应用

图6 在导电材料的应用   

图7 在环境领域的应用

目前，纳米纤维素辅助3D打印技术已成为组织工程和药物输送领域的研究热点。结构明确的打印支架可以促进细胞生长和分化，提供机械支持，而个性化的给药系统可以更好地改善药物的药代动力学和生物利用度，降低毒性，提高治疗效果。

然而，在优化这些支架的制造工艺以确保均匀性和可重复性方面仍然存在挑战。此外，纳米纤维素在体内的长期生物相容性和降解率需要深入研究，以确保其在临床应用中的安全性和有效性。研究结合纳米纤维素和其他生物聚合物的混合材料可以进一步增强其在生物医学应用中的功能。

纳米纤维素薄膜具有优异的阻隔性能，可以保护食品免受水分、氧气和紫外线的侵害，从而延长保质期，保持食品质量。此外，在纳米纤维素包装中掺入抗菌剂可以有效抑制腐败微生物的生长，提高食品安全性。尽管有这些优势，纳米纤维素在食品包装中的商业应用面临着消费者接受度和监管障碍等挑战。确保纳米纤维素产品具有成本效益并可大规模生产是至关重要的。研究消费者的看法和纳米纤维素包装对环境的影响将是其成功融入市场的关键。   

在电子领域，纳米纤维素固有的电学特性，加上它的机械灵活性，使它适合应用于传感器、显示器和能量存储设备。需要研究提高其导电性并将其与现有电子材料有效集成。此外，需要开发可扩展的生产方法，以确保一致性。

纳米纤维素在环境方面的应用，如水净化和土壤修复，其高表面积和孔隙率使其成为污染物、重金属和有机污染物的有效吸附剂。此外，它的可生物降解性使其成为可持续环境解决方案的一个有吸引力的选择。尽管具有潜力，但纳米纤维素在环境应用中的实际实施需要进一步研究，以优化其在现实条件下的性能。研究纳米纤维素与各种污染物之间的相互作用对于制定有效的修复策略至关重要。此外，评估大规模应用的经济可行性对于在环境管理中采用这种方法至关重要。

文章来源：https://doi.org/10.1002/smll.202407956