东北林业大学李健教授与伊迪斯科文大学张来昌教授：生物质材料及其在4D打印中的应用

       4D打印技术可生产能响应外部刺激的结构，然而具备形状记忆特性的智能材料在响应性和可打印性方面存在局限。东北林业大学李健教授团队与伊迪斯科文大学的张来昌教授 在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表了综述“Biomass materials and their application in 4D printing”。文章总结了4D打印中植物基、动物基和微生物基等不同来源生物质材料的研究进展，探讨了含生物质材料的打印物体的响应变形机制及生物质材料在其中的作用与独特优势，提出了生物制造技术在整合生物质材料与4D打印中的关键作用，以及当前生物质材料在4D打印中面临的挑战和潜在未来方向的观点。
     4D打印包含智能材料、打印工艺及设备、外部刺激和响应结构这四个组成部分，通过这四个部分实现3D打印结构随时间响应环境刺激转变。
 

植物基、动物基、微生物基这三类生物质材料在3D打印中的应用领域，如植物基用于食品打印，动物基用于生物医学等。
 

通过CiteSpace软件分析近五年4D打印相关天然材料的323篇文献，得到关键词共现网络，该网络有67个节点、316条连接线，聚类结构可靠。
 

不同来源（植物、动物、微生物）生物质材料在4D打印中的应用情况，包括墨水组成、变形机制等，如植物基的纤维素用于湿度响应，动物基的壳聚糖用于pH响应。
 

植物、动物、微生物基生物质材料的分子结构，如纤维素含羟基，壳聚糖含氨基和羧基，这些结构包含多种功能基团。
 

纤维素及其衍生物（羧甲基纤维素、甲基纤维素）在4D打印中的应用，通过水合/脱水、湿度等刺激实现可逆形状变化，可制备花瓣结构、自适应遮阳系统等。
 

纳米纤维素（纤维素纳米晶体、纤维素纳米纤维）在4D打印中能增强材料机械性能和形状记忆特性，响应热、水等刺激，用于生物医学、软夹持器等领域。
 

木质素基水凝胶在吸附、传感、药物载体等方面的应用，具有pH、温度、光等响应性，可用于铀吸附、呼吸传感器、药物缓释等。
 

木质素复合材料、海藻酸钠、淀粉、植物蛋白、果胶等植物基生物质材料在4D打印中响应光、温度、pH等刺激，发生形状或颜色变化，用于软执行器、食品打印等领域。
 

壳聚糖、明胶等动物基生物质材料在4D打印中响应溶剂、热、磁等刺激，实现形状变化，用于软机器人、组织工程等领域。
 

黄原胶等微生物基生物质材料在4D打印中通过pH、氨等刺激实现颜色变化，用于监测鱼糜等食品的新鲜度。
 

生物质材料打印的结构多样性，可打印花朵、蝴蝶、夹持器等结构，在刺激下发生弯曲、扭转等变形。
 

生物质材料在4D打印中的未来研究方向，包括新材料开发、墨水优化、增材制造技术改进等。
 

作者简介

李健
东北林业大学
    李健，东北林业大学机电工程学院教授，博导，副院长，教授委员会主任，机械专业学位硕士负责人。中国机械工程学会、中国林学会高级会员，黑龙江省机械工程学会增材制造专委会秘书长，东北林业大学3D打印材料与技术研究中心主任。长期从事生物质材料增材制造技术及仿生软体机器人研究。主持国家自然科学基金项目、中国博士后特别资助项目、黑龙江省自然科学基金优青项目、中央引导地方项目等10余项。曾获粱希科技进步三等奖、黑龙江省科学技术进步三等奖、黑龙江省科技发明三等奖等多项科技奖励。授权国家发明专利和实用新型专利近30项，出版教材、专著4部，获黑龙江省教学成果二等奖2项。
 

张来昌
    伊迪斯科文大学
张来昌，澳大利亚伊迪斯·科文大学终身教授、先进材料与制备中心主任、德国“洪堡”学者、全球高被引科学家、国际先进材料协会（IAAM）“桂冠奖”获得者。张教授毕业于中科院金属研究所并获得博士学位，先后就职于德国达姆斯塔特工业大学和莱布尼茨固体材料研究所、澳大利亚伍伦贡大学、西澳大学和伊迪斯·科文大学。其研究兴趣主要包括增材制造、生物材料、轻量化材料和结构、高强度材料等。迄今为止，已出版英文专著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等国际著名学术期刊发表论文400余篇，H指数为92，引用次数超过3.1万次。其部分研究成果已在澳大利亚国家电视台新闻频道全球直播采访和《访谈》采访报道、中央电视台（CCTV-4）、新华社、《科技日报》和美国《高等教育纪事报》等知名媒体报道。现担任超过10本学术期刊的主编、（副）编辑或编委，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。

文章来源：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/add81c