«Целлюлоза — это самый распространенный органический полимер в мире», — говорит постдок MIT Себастьян Паттинсон, ведущий автор статьи с описанием новой системы в журнале Advanced Materials Technologies. Соавтором статьи является доцент кафедры машиностроения А. Джон Харт, профессор по развитию карьеры Mitsui в области современных технологий.Паттинсон объясняет, что целлюлоза является «наиболее важным компонентом, придающим древесине ее механические свойства. И поскольку она настолько недорогая, биовозобновляемая, биоразлагаемая, а также очень универсальная в химическом отношении, она используется во многих продуктах.
Целлюлоза и ее производные используются в фармацевтические препараты, медицинские устройства, пищевые добавки, строительные материалы, одежда — в самых разных областях. И многие из этих продуктов выиграют от такой настройки, которую позволяет аддитивное производство [3-D печать] ».Между тем, технологии трехмерной печати стремительно развиваются. Помимо других преимуществ, он «позволяет вам индивидуально настраивать каждый производимый вами продукт», — говорит Паттинсон.
Использование целлюлозы в качестве материала для аддитивного производства — не новая идея, и многие исследователи пытались это сделать, но столкнулись с серьезными препятствиями. При нагревании целлюлоза термически разлагается до того, как станет текучей, отчасти из-за водородных связей, существующих между молекулами целлюлозы. Межмолекулярная связь также делает растворы целлюлозы с высокой концентрацией слишком вязкими, чтобы их можно было легко выдавливать.
Вместо этого команда Массачусетского технологического института решила работать с ацетатом целлюлозы — материалом, который легко сделать из целлюлозы, который уже широко производится и легко доступен. По сути, количество водородных связей в этом материале было уменьшено за счет ацетатных групп. Ацетат целлюлозы можно растворить в ацетоне и выдавить через сопло.
Поскольку ацетон быстро испаряется, ацетат целлюлозы затвердевает на месте. Последующая дополнительная обработка заменяет ацетатные группы и увеличивает прочность напечатанных деталей.«После трехмерной печати мы восстанавливаем сеть водородных связей путем обработки гидроксидом натрия», — говорит Паттинсон. «Мы обнаружили, что прочность и прочность деталей, которые мы получаем … выше, чем у многих обычно используемых материалов» для трехмерной печати, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и полимолочную кислоту (PLA).
Чтобы продемонстрировать химическую универсальность производственного процесса, Паттинсон и Харт добавили новое измерение. Добавив небольшое количество антимикробного красителя к чернилам из ацетата целлюлозы, они нанесли трехмерную печать на пару хирургических пинцетов с антимикробными свойствами.«Мы продемонстрировали, что части убивают бактерии, когда на них светят флуоресцентным светом», — говорит Паттинсон. Такие инструменты, изготовленные по индивидуальному заказу, «могут быть полезны для удаленных медицинских учреждений, где есть потребность в хирургических инструментах, но трудно доставить новые инструменты в случае их поломки или там, где есть потребность в индивидуальных инструментах.
И с антимикробными свойствами, если стерильность операционная не идеальна, антимикробная функция может иметь важное значение », — говорит он.Поскольку большинство существующих 3D-принтеров на основе экструзии полагаются на нагрев полимера, чтобы заставить его течь, их скорость производства ограничена количеством тепла, которое может быть доставлено к полимеру, не повреждая его. По словам Паттинсона, этот процесс получения целлюлозы при комнатной температуре, который просто основан на испарении ацетона для отверждения детали, потенциально может быть быстрее. И различные методы могут ускорить его еще больше, например, укладывание тонких лент материала, чтобы максимизировать площадь поверхности, или обдувание горячим воздухом для ускорения испарения.
Производственная система также будет стремиться извлекать испаренный ацетон, чтобы сделать процесс более рентабельным и экологически безопасным.Ацетат целлюлозы уже широко доступен в качестве товарного продукта. По словам исследователей, в массе этот материал сопоставим по цене с термопластами, используемыми для литья под давлением, и он намного дешевле, чем типичные волокнистые материалы, используемые для трехмерной печати.
Это, в сочетании с условиями процесса при комнатной температуре и способностью функционализировать целлюлозу различными способами, может сделать ее коммерчески привлекательной.