香港中文大学：将树叶和聚合物废料转化为低价可降解的3D打印材料

2021年10月7日，香港中文大学的研究人员已经开发出一种聚合物基的3D打印材料，它几乎可以完全生物降解的环保需求。该团队研发的 "Planstic "长丝由植物叶子和塑料废料组成，具有高熵纤维。这些纤维可以帮助废料吸附天然酶，在处理时加速其降解速度。科学家们说，经过短短8周的土壤分解，他们的材料完全降解，只留下极少的微塑料颗粒，这有可能使其成为主流PET的生态友好替代品。研究团队在他们的论文中说："当前，可生物降解塑料的主要问题在于它们只是被分解成更小的碎片，这并未实现对传统塑料的完全生态处理。Planstic通过酶的催化降解解决了这个问题，它会使微塑料的降解反应更有效地进行，从而加速了它们的降解。Planstic可以减少二次污染的处理成本，并且可以在日常生活中普遍使用，以解决全世界的塑料降解问题。"

△研究人员的'Planstic'3D打印长丝背后的生产方法。照片来自ACS Applied Polymer Materials杂志。

 微塑料：一个全球性的威胁

尽管塑料具有固有的多功能性、廉价性和耐腐蚀性，但有资料显示，塑料需要数千年的时间才能降解。这意味着，一旦那些聚合物产品被丢弃，它们就会成为环境的持久污染物，而当它们分解成有毒的微塑料时，问题就特别严重，因为这些微塑料会随着生物链越来越多地处理到人类身体当中。虽然可降解塑料袋的使用正在成为西方国家超市的常态，但香港的科学家们指出，这些塑料袋仍然会通过制造过程中消耗的原材料和高能量造成二次污染。

同样，尽管食品相关的一次性包装、餐具和容器经常被标示为由可生物降解的塑料制成，但实际上，它们只是被分解成更小的碎片。因此，许多这样的聚合物商品仍然助长了日益严重的微塑料问题，根据最近的研究，现在导致美国人平均每年吃下39,000-52,000个聚合物颗粒。

△Planstic长丝在八周的时间内被降解。图片来自ACS Applied Polymer Materials杂志。

 一种 "Planstic "解决方案

      为了帮助世界从微塑料的饮食中解脱出来，香港团队已经制定了一种低成本的植物融合塑料，利用天然酶来更有效地降解微小的聚合物颗粒。绰号为Planstic，研究人员的新型材料是通过将紫荆树叶和磨碎的PET混合、塑化并在 "Chembox "中打印出来的。

       在创造材料的过程中，科学家们发现有可能整合来自短生长周期的Cercischinensis的叶子，它自然包括长纤维，适合于降解。该团队还发现，在交叉点加强这些纤维可以改善所产生的长丝的特性，同时可以优化每种成分的剂量，以尽量减少能量损失。

      研究人员在最终确定了材料后，将80%的植物纤维和20%的PET混合，并使用NanoscribePhotonic Professional GT2 3D打印机将其沉积到一系列的微结构中。SEM成像结果显示Planstic可以被3D打印成具有小至160纳米的精细特征的部件后，随后它被证明在压力测试下要比普通塑料袋更有韧性，但强度较低。

      为了评估Planstic长丝的生物降解性，该团队随后将其放入堆肥土壤中，发现其叶基中的酶可以分解掉那些难以降解的物质，如角蛋白。有趣的是，这种材料不太稳定的表面也提高了分解率，因为它允许微生物与它接触并加速这一过程，帮助实现塑料的几乎完全降解。

      在初步试验成功后，研究人员说他们的Planstic材料证明了可以吸引微生物分解和加速塑料降解的良好效果。展望未来，该团队建议，这种闭环回收方法甚至可以取代填埋或焚烧处理方法，减少纳米技术的能源压力，从而帮助建立一个环境友好型社会。

△近年来，生物3D打印的规模不断扩大。照片显示WASP的 "TECLA "生态栖息地。照片来自WASP。

       研究人员的研究结果详见他们的论文，题为 "Planstic:Biodegradable Plastic with High-Entropy Fibers Made from Waste Plastic andPlant Leaves"，这篇论文是由Ziao Wang, Yao Xu, Rulin Liu和Xi Zhu共同撰写的。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsapm.1c01242

推进生物增材制造

鉴于许多3D打印聚合物和其他塑料一样属于世界上微塑料问题的一部分，研究人员会继续开发生物替代物，其中包括各种自然元素，从土壤到昆虫粪便。麻省理工学院（MIT）的科学家们已经转向实验室培养的木质细胞，作为生产他们自己的可持续3D打印生物材料的一种手段。通过培养他们的材料，以一种类似于培养肉的方法，该团队认为它可以变成一种木材替代品，有可能被3D打印成自制的家具。

在商业层面上，Desktop metal公司也已经开始通过其Forust木材3D打印子公司对木质部件进行粘合剂喷射。该公司目前正在扩大木材制造业和造纸业的废弃副产品的回收利用，如锯末和木质素，然后将它们与生物环氧树脂混合，用于建筑增材制造应用。

在建筑行业，WASP利用土壤、大米、谷壳和石灰等天然材料，3D打印了一体化生态友好型有机房屋。今年早些时候完成的自我支持的碳中和"TECLA "房屋，就是作为可持续的新房屋建筑模式的概念验证。