揭示不锈钢填充PLA线材在3D打印过程中释放富含赤铁矿纳米颗粒的首个实验证据及其健康风险研究

本研究首次通过标准化实验证实，使用含不锈钢颗粒（~80 wt%）的PLL线材（FDM技术）进行3D打印时，会释放出富含赤铁矿（α-Fe2O3）的纳米颗粒（混合Fe-Cr-Ni），其浓度（9.08×106 particles/cm3）显著高于普通PLA。该发现揭示了金属复合线材在热加工过程中可能引发的职业与环境健康风险，为纳米颗粒排放管控提供关键科学依据。

　　

Highlight

本研究首次实验证实：采用不锈钢填充PLA线材（含约80 wt%不锈钢）的3D打印过程会释放富含赤铁矿（α-Fe₂O₃）的纳米颗粒（含Fe-Cr-Ni混合成分）。

3D打印机与线材规格

排放测试使用开放式双喷头FDM打印机（Ender3 v2 Neo），对比标准PLA线与不锈钢填充PLA线（含80 wt%不锈钢粉末，ColorFabb产）。打印参数统一设置为：喷嘴温度220°C，热床60°C，打印速度50 mm/s，层厚0.2 mm。

线材特性分析

扫描电镜（SEM）显示：PLA-steel线材表面存在大量金属颗粒嵌入聚合物基体（图2c,d），能谱（EDS）证实主要成分为Fe、Cr、Ni。热重分析（TGA）表明金属填料显著改变了材料的热分解行为。

颗粒排放特征

PLA-steel打印时超细颗粒（UFPs）浓度高达9.08×10⁶ particles/cm3，远超标准PLA的4.99×10⁶ particles/cm3。颗粒呈独特片状结构，铁元素占比26.5 at.%。高分辨电镜（HR-TEM）显示0.21 nm和0.27 nm晶格间距，拉曼光谱在230、412、609 cm^?1处检出赤铁矿特征峰。

讨论

金属填料在热降解中促进纳米赤铁矿的形成，其释放机制可能与聚合物分解及金属表面氧化有关。此类颗粒的呼吸道沉积深度与系统性迁移能力（尤其＜100 nm颗粒）可能引发氧化应激与细胞毒性，需关注长期暴露风险。

环境意义（Environmental Implication）

不锈钢填充线材导致纳米赤铁矿排放，揭示3D打印中未被重视的金属氧化物污染源。超细铁氧化物颗粒可能恶化室内空气质量，并对职业与消费级用户构成潜在健康威胁。

结论（Conclusion）

本研究首次证实不锈钢-PLA线材在3D打印中释放富含赤铁矿的纳米颗粒，其浓度高、尺寸小（可吸入范围），且具有明确的晶体学特征。结果强调需对金属复合线材的排放风险开展系统性评估，并制定相应防护策略。