用于增材制造的聚酰胺12的空气排放特征及初步体外毒性筛查

《Environment & Health》：Characterization of Airborne Emissions and Preliminary In Vitro Toxicity Screening of Polyamide 12 Used in Additive Manufacturing

　　

聚酰胺12 (PA12) 是一种广泛应用于工业增材制造 (AM) 技术的原料材料。然而，关于其健康影响的流行病学证据有限，这引起了对其暴露工人潜在影响的特别关注。研究人员通过两种暴露场景评估了PA12：一种是与粉末床熔融 (PBF) 工艺相关的粉末处理任务的实验室模拟，另一种是主动的基于丝材的材料挤出 (MEX) 3D打印过程。颗粒物排放的表征通过综合实验方法进行，该方法结合了实时测量、形态与元素分析以及原始粉末的体外细胞毒性筛查。研究按照经济合作与发展组织 (OECD) 提出的多指标分层方法进行。实时仪器用于测量颗粒物数量浓度 (PNC)、平均直径 (D_avg) 和肺沉积表面积 (LDSA)，同时收集样品用于后续离线分析。结果显示，两种应用中空气颗粒物水平均高于背景，粉末处理过程中排放物为较大微米级颗粒 (约20 μm)，而基于丝材的挤出过程中为较小的亚微米组分聚集体。初步体外测试显示，人支气管上皮细胞 (HBEC3-KT) 暴露于PA12原始粉末时未出现显著的细胞毒性反应或基因表达谱改变。这些发现将有助于制定预防性危害措施和适当的控制策略，以确保PA12 3D打印应用在职业环境中的安全使用。

**论文解读：聚酰胺12在增材制造中的空气排放特征与初步体外毒性筛查**

**研究背景、存在问题与研究目的**
第四次工业革命（Industry 4.0）推动了增材制造（AM）技术的快速发展，其中聚酰胺12（PA12）作为工业AM中广泛使用的原料，尤其适用于粉末床熔融（PBF）和材料挤出（MEX）工艺。然而，尽管PA12应用广泛，关于其职业健康风险的流行病学证据极为有限，特别是在颗粒物和挥发性有机物（VOCs）暴露方面。现有研究指出，AM过程排放的主要是超细颗粒（UFPs）和VOCs，但不同材料与工艺的排放特征差异显著，且缺乏统一的安全评估标准。PA12在PBF中的粉末处理及MEX中的热挤出过程均可能释放可吸入颗粒物，但对其毒性效应的认知存在矛盾，例如部分动物实验显示血管效应，而体外研究则观察到免疫毒性。因此，研究人员开展本项研究，旨在通过综合实验方法，系统评估PA12在两种典型AM场景（粉末处理模拟与FDM打印）中的颗粒物排放特征，并结合体外细胞毒性测试，为职业暴露风险评估和防控措施提供科学依据。论文发表在《Environment》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用多指标分层方法（依据OECD指南），使用实时监测仪器（凝聚核粒子计数器CPC、扩散粒径分类器DiSCmini、快速迁移率粒径谱仪FMPS、光学粒径谱仪OPS）测量颗粒物数量浓度（PNC）、平均直径（D_avg）和肺沉积表面积（LDSA），同时通过微型多级冲击采样器（Mini-MOUDI）和VOC吸附管进行离线采样。在材料表征方面，运用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS）分析颗粒形态与元素组成，动态光散射（DLS）评估悬浮液粒径分布，并通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析VOCs。体外毒性测试采用人支气管上皮细胞（HBEC3-KT，由John D. Minna博士提供），通过alamarBlue和乳酸脱氢酶（LDH）释放实验评估细胞活力，并利用HEK-Blue报告细胞系检测微生物污染。

**研究结果**

**3.1 实时测量：实验模拟**
在手套箱内模拟PA12粉末分散时，与背景相比，PNC（CPC测量，1–1000 nm）增加约一倍（平均195 part/cm3相对于背景110 part/cm3），但FMPS（5.6–560 nm）的粒径分布（PSD）显示无明显纳米级贡献，而OPS（0.3–10 μm）则揭示2–10 μm通道的相对贡献显著增加，表明排放以微米级颗粒为主。

**3.2 实时测量：FDM打印**
三次完整FDM打印过程中，DM（DiSCmini，10–700 nm）测得的PNC显著超过统计显著阈值（第一天约8587 part/cm3，第二天约7145 part/cm3），平均峰值增加7988 ± 309 part/cm3。LDSA同步升高，而D_avg在打印期间显著下降（p < 0.001），表明超细颗粒的生成。一次因故障中止的打印同样显示类似趋势，提示操作中断也可能产生排放。

**3.3 离线测量**
SEM图像显示，原始粉末为不规则颗粒（10–50 μm），分散后收集的颗粒形态相似，平均直径约20 μm，EDS成分以碳、氧、氮为主，符合PA12化学结构。FDM打印期间收集的样品呈现由亚微米颗粒组成的微米级聚集体（约2.5 μm），EDS除碳、氧、氮外还检测到微量铜等金属元素，可能源于打印机磨损。VOC分析中所有目标化合物浓度均低于检测限（LOD）。

**3.4 材料表征**
原始粉末在无内毒素水中的平均流体动力学直径（Z-average）为4.641 × 10⁴ nm，在细胞培养基中于0 h和72 h分别测得167.4 nm和337.2 nm，表明一定程度的团聚。LAL检测显示内毒素水平<0.0084 EU/mL，HEK-Blue报告细胞实验未激活TLR2/TLR4通路，确认材料无微生物污染。

**3.5 体外细胞毒性测试**
在HBEC3-KT细胞中暴露于PA12原始粉末（1–25 μg/mL）24 h、72 h和7天后，alamarBlue实验显示细胞活力与未处理对照无显著差异，LDH释放实验显示细胞毒性均低于5%，且无统计学意义，表明PA12原始粉末在测试条件下未引起急性细胞毒性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，粉末分散实验模拟了PBF过程中的机械处理环节，产生微米级颗粒，与工厂实地观察一致；FDM打印则导致超细颗粒的瞬时升高，伴随粒径减小，与文献中热塑性材料（如ABS）的排放特征相似。VOCs未检出可能与实验条件限制有关，但低于LOD的值通常不被视为健康风险。体外毒性测试未检出急性细胞毒性，但短时暴露可能无法反映长期累积效应，且实际FDM排放的亚微米颗粒毒性尚需进一步研究。研究强调，需针对不同操作阶段（如粉末装载、打印启动与零件取出）制定预防措施，如设置30 min等待期以降低颗粒物浓度。结论为：PA12粉末处理主要产生微米级颗粒，FDM打印产生超细颗粒，且初步毒性测试未显示急性细胞毒性，但这些发现需在真实职业场景中通过长期暴露评估加以验证，以制定安全使用PA12的防控策略。