東北林業(yè)大學(xué)李健教授與伊迪斯科文大學(xué)張來昌教授：生物質(zhì)材料及其在4D打印中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)性和可打印性方面存在局限。東北林業(yè)大學(xué)李健教授團(tuán)隊(duì)與伊迪斯科文大學(xué)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(jìn)展，探討了含生物質(zhì)材料的打印物體的響應(yīng)變形機(jī)制及生物質(zhì)材料在其中的作用與獨(dú)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(dāng)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(diǎn)。


4D打印包含智能材料、打印工藝及設(shè)備、外部刺激和響應(yīng)結(jié)構(gòu)這四個組成部分，通過這四個部分實(shí)現(xiàn)3D打印結(jié)構(gòu)隨時間響應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，如植物基用于食品打印，動物基用于生物醫(yī)學(xué)等。

圖 2. 三類生物質(zhì)材料及其3D打印應(yīng)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(xiàn)，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有67個節(jié)點(diǎn)、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(luò)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(yīng)用情況，包括墨水組成、變形機(jī)制等，如植物基的纖維素用于濕度響應(yīng)，動物基的殼聚糖用于pH響應(yīng)。

圖 4. 不同來源生物質(zhì)材料在4D打印中的應(yīng)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(tuán)。

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(yīng)用，通過水合/脫水、濕度等刺激實(shí)現(xiàn)可逆形狀變化，可制備花瓣結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)遮陽系統(tǒng)等。

圖 6. 纖維素及其衍生物在4D打印中的應(yīng)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(qiáng)材料機(jī)械性能和形狀記憶特性，響應(yīng)熱、水等刺激，用于生物醫(yī)學(xué)、軟夾持器等領(lǐng)域。

圖 7. 納米纖維素在4D打印中的應(yīng)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(yīng)用，具有pH、溫度、光等響應(yīng)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(yīng)用及響應(yīng)機(jī)制圖

木質(zhì)素復(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)溶劑、熱、磁等刺激，實(shí)現(xiàn)形狀變化，用于軟機(jī)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(yīng)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(shí)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(yīng)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(jìn)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(xué)
李健，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，博導(dǎo)，副院長，教授委員會主任，機(jī)械專業(yè)學(xué)位碩士負(fù)責(zé)人。中國機(jī)械工程學(xué)會、中國林學(xué)會高級會員，黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會增材制造專委會秘書長，東北林業(yè)大學(xué)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(jī)器人研究。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國博士后特別資助項(xiàng)目、黑龍江省自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方項(xiàng)目等10余項(xiàng)。曾獲粱?？萍歼M(jìn)步三等獎、黑龍江省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎、黑龍江省科技發(fā)明三等獎等多項(xiàng)科技獎勵。授權(quán)國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利近30項(xiàng)，出版教材、專著4部，獲黑龍江省教學(xué)成果二等獎2項(xiàng)。

張來昌
伊迪斯科文大學(xué)
張來昌，澳大利亞伊迪斯·科文大學(xué)終身教授、先進(jìn)材料與制備中心主任、德國“洪堡”學(xué)者、全球高被引科學(xué)家、國際先進(jìn)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(xué)位，先后就職于德國達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)和萊布尼茨固體材料研究所、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、西澳大學(xué)和伊迪斯·科文大學(xué)。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(qiáng)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(xué)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(jì)事報》等知名媒體報道?，F(xiàn)擔(dān)任超過10本學(xué)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