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为解决聚羟基丁酸酯（PHB）用于 3D 打印时成本高、机械强度低和热稳定性差等问题，研究人员开展 PHB - 淀粉复合 3D 打印长丝的研究。结果显示该复合长丝可打印出性能增强的结构，对推进可持续功能性 3D 打印材料意义重大。
在当今科技飞速发展的时代，3D 打印技术宛如一颗璀璨的新星，在众多领域闪耀着独特的光芒，尤其是在医疗健康领域，其带来的变革更是令人瞩目。借助 3D 打印，医生们能够为患者定制专属的医疗设备，从贴合身体曲线的假肢，到精准植入的医疗器械，都大大提升了医疗的精准度和效果。然而，在这看似一片光明的发展道路上，却隐藏着一些 “绊脚石”。
用于 3D 打印的材料中，聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrate，PHB）凭借其良好的生物相容性，成为了组织工程应用的热门候选材料。它就像是一位潜力巨大的 “种子选手”，本应在 3D 打印的赛场上大放异彩，却因为自身的一些 “小毛病” 而受到限制。PHB 的生产成本较高，就像给它戴上了一副沉重的枷锁，阻碍了其大规模的应用。不仅如此，它的机械强度较低，如同脆弱的玻璃，容易破碎；热稳定性也不理想，在较高温度下就会 “原形毕露”，出现各种问题。这些缺陷使得 PHB 在实际应用中困难重重，就像是在前行的道路上布满了荆棘。
为了让 PHB 能够更好地发挥其潜力，来自巴西多个研究机构的研究人员决心开展一项研究，为解决这些问题寻找突破口。他们将目光投向了淀粉，这种广泛存在且成本低廉的天然聚合物，希望借助它的力量，与 PHB 实现 “强强联合” ，共同打造出更优秀的 3D 打印材料。经过一系列的研究，他们成功制备出了基于 PHB / 淀粉的 3D 打印长丝，并发现这种复合长丝在 3D 打印中展现出了良好的性能，为可持续和功能性 3D 打印材料的发展开辟了新的道路。该研究成果发表在了《Biotechnology for Sustainable Materials》杂志上，为相关领域的研究提供了重要的参考。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们通过定制的单螺杆挤出机，将 PHB 和淀粉按照不同比例混合，制备出了多种复合长丝。接着，利用热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）对长丝的热性能进行了深入分析；借助扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）观察长丝的微观结构；采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（Attenuated Total Reflection - Fourier Transform Infrared Spectroscopy，ATR-FTIR）对长丝进行结构表征。最后，使用 3D 打印机对制备的长丝进行打印测试，评估其打印性能。
下面让我们详细看看研究的具体结果：
- PHB / 淀粉长丝的制备：研究人员选用了 PHB Industrial 公司捐赠的 PHB 和 Indemil 公司提供的改性淀粉 INDEPEL GUM 90，通过高速混合机将两者均匀混合，再利用自制的单螺杆挤出机，在不同温度、预热时间和螺杆转速等条件下进行挤出实验。最终确定了 170°C、预热 25 分钟、螺杆转速 20 RPM 的条件，能制备出直径约 1.75mm、均匀且机械性能良好的长丝。
- 热性能分析（TG/DTG 和 DSC 曲线）：热重分析（TG）和微商热重分析（DTG）曲线表明，虽然随着淀粉含量增加，长丝的热稳定性略有变化，但整体降解曲线与纯 PHB 相似，说明挤出过程对热稳定性影响不大。差示扫描量热法（DSC）曲线显示，纯 PHB 聚合物的熔点为 177°C，制成丝后降至 167°C，含 1 - 10% 淀粉的共混物熔点变化不明显，显示出良好的相容性，而含 20% 和 50% 淀粉的共混物熔点升高至 172°C，不过在熔化区域有部分淀粉损失。
- ATR-FTIR 光谱分析：通过 ATR-FTIR 光谱分析发现，PHB 和淀粉在复合长丝中各自保持了原有的结构特征，没有发生化学反应，二者之间是通过范德华力相互作用的。这意味着在加工过程中，它们各自的 “个性” 得以保留，却又能协同发挥作用。
- 扫描电子显微镜（SEM）分析：SEM 图像展示了长丝的微观结构。纯 PHB 长丝内部有一些球形空洞，可能是制备过程中产生的气泡，而 PHB/GUM1 长丝结构致密、均匀且无气泡。PHB/GUM5 和 PHB/GUM20 长丝中能观察到微米级的颗粒，推测是淀粉团聚体。此外，3D 打印支架的 SEM 图像显示其具有规则的晶格结构，表面有纹理和孔隙，这些孔隙有利于细胞附着和营养物质流动，在组织工程应用中具有潜在优势。
- 3D 打印测试：研究人员对长丝进行 3D 打印测试，通过打印一些小的测试几何体，如单层线条和矩形条，来评估挤出均匀性、层间附着力和整体打印质量。结果发现，PHB/GUM5 长丝符合 3D 打印机的推荐直径，且无气泡，打印出的支架结构完整，具有良好的应用潜力。不过，研究也发现，只有淀粉浓度较低（<5 wt%）的配方具有良好的可打印性，且由于长丝挤出过程的限制，无法制备适合拉伸和冲击测试的试样，这也为后续研究提出了新的挑战。
综合上述研究结果，此次研究在基于 PHB 的 3D 打印长丝开发方面取得了重要进展，尤其是在生物医学应用领域。研究发现，即使少量淀粉的加入也能显著改善 PHB 的可打印性，减轻其脆性和加工难题。自制的单螺杆挤出机可有效制备高质量、结构均匀的长丝。成功制备的 PHB / 淀粉支架展示了这种复合材料在组织工程中的巨大潜力。这一研究丰富了可生物降解聚合物的研究成果，为可持续、可定制的生物医学支架的发展奠定了坚实基础，有望推动 3D 打印技术在生物医学领域的进一步应用和发展。未来，研究人员或许可以针对目前研究中遇到的问题，如进一步优化长丝配方以提高高淀粉含量配方的可打印性，探索更合适的方法来准确表征材料的机械性能等，开展更深入的研究，让 3D 打印材料在生物医学领域绽放更加绚烂的光彩。
