植物纤维基3D 打印线材的研究进展

赵晨飞，张卓清，王 军，张国强，邓小贵

（1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院，陕西 西安 710021；2.陕西科技大学 轻化工程国家级实验教学示范中心，陕西 西安 710021）

为响应国家节能减排的号召，开发可再生、可生物降解的生物可印刷复合材料变得至关重要，天然高分子纤维素逐渐被人们所关注。纤维素主要来源是木材和棉花[1]。正是由于它的丰富来源，使得它几乎成为一种取之不尽、用之不竭的高分子原料，同时纤维素本身特殊的化学物理性质使得它可以通过化学改性得到各种衍生物，如微晶纤维素、纳米纤维素、纤维素醚、纤维素酯等[2]。

增材制造（Additive Manufacturing,AM）也称3D 打印，在很多行业中都展现出独特的优势[3]，它是通过逐层沉积材料来制造物体，而不是像铣削、铸造、锻造或焊接等传统的减法制造工艺。熔融沉积建模（Fused-Deposition Modeling,FDM）3D 打印作为材料挤出的一个分支，如图1 所示。

图1 熔融沉积技术的工作示意图（a、b），所打印的线材图（c）

具有易于获得、成本低、用途广泛的特点，具有良好的发展潜力，在添加剂制造、快速成型和药物输送等领域都得到了广泛的研究[4]，具有重要的作用[5]。FDM 使用控制输入参数、人机交互界面保证了较高的精确度[6]。随着不同取向材料的逐层叠加，可以控制材料的沉积，进而控制产品的强度、柔韧性、耐久性、化学强度等[7]。FDM 3D 打印的材料很多，比如聚合物（如聚酰胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS）、聚乳酸（Polylactic Acid,PLA）和聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcohol,PVA））、陶瓷、石膏、金属（不锈钢、金银、钛）甚至混凝土等都可以[8]，但是这些材料在进行打印时总会伴随一些问题，如打印过程中挥发出对人体有害的气体、打印的线材强度不够、韧性差和易弯曲变形[9]。

纤维素由于其密度低、比刚度高、可生物降解、生态友好、无毒无害等优良特性使得它常被用做复合线材的增强剂[10]，与凯夫拉纤维相比，纤维素纤维具有更大的轴向弹性模量，增强的机械性能[11]。越来越多的人开始研究植物纤维基的复合线材，该材料可以采用的3D 打印成型方法有熔融沉积成型（FDM）、层压物体制造（Laminated Object Manufacturing,LOM）、光固化成型（Stereo Lithography Apparatus,SLA）、挤出和选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,SLS）[12]。使用FDM 打印的纤维复合材料在杨氏模量和强度上都要优于其他打印方法，但是容易产生内部的孔隙[13]；采用层压物体制造的方法所制备的复合材料的层间微观结构表现出良好的界面结合，但同时存在零件不能完全固结和固化的问题[14]；采用光固化成型方法制备的线材显示出较弱的机械性能[15]；挤压方式作为一种新发展的打印方式在一定程度上能弥补FDM 的局限性，但是有待进一步探索；对于选择性激光烧结技术主要存在加工时间长和需要预热操作[16]的缺点。在进行打印线材制备的研究中，研究人员选择FDM 熔融沉积技术。

目前对于纤维基材料的综述工作已有很多，但是对于基于植物纤维基打印线材的工作目前尚未有人进行总结，因此，本文综述了各种纤维素及其衍生物的复合线材。首先讨论了纤维素及其衍生物的结构形态特性，然后研究了以纳米纤维素、木质纤维素、羟丙基甲基纤维素以及微晶纤维素为原料的复合线材制备方法以及制备过程中常用的改性手段，并探讨了3D 打印纤维素复合线材在医学、电子等领域的应用，最后对纤维素基线材在未来的发展进行了展望以及当前所面临的挑战进行了补充。

1 纤维素及纤维素衍生物3D 打印线材

1.1 纤维素及其衍生物

纤维素作为一种纤维状的、坚韧的、不溶于水的天然材料，通常分布在高等植物、海洋动物中（例如被囊动物），1838 年，Anselme Payen 第一次发现并分离出纤维素之后，研究人员对纤维素的物理和化学特性进行了深入研究。典型的纤维素改性包括羟基处的酯化反应和醚化反应，还有离子和自由基的接枝、缩醛化反应和脱氧卤化反应[17]。按照反应生成物的结构特性，可将纤维素衍生物分为纤维素醚、纤维素酯、纤维素醚酯，本小节将简单介绍纳米纤维素、微晶纤维素、纤维素醚、纤维素酯以及纤维素醚酯的结构性能（如表1），各自在打印线材中的特点以及他们制备工艺的研究进展。

表1 纤维素及其衍生物特性

（续表1）

1.1.1 纳米纤维素

纳米纤维素（Nanocellulose,NC）是一种直径尺寸在100 nm 以下的纤维素材料。纳米纤维素作为天然聚合物，同时具有宏观纤维素与纳米材料的特性，如可再生性、亲水性、低热膨胀系数、可修饰和比表面积大等特征[18]。从形态学上和来源上，可以分为纤维蛋白纳米晶体（Cellulose Nanocrystals,CNC），纳米纤维原纤维蛋白（Nanofibrillated Cellulose,CNF）和细菌纳米纤维蛋白（Bacterial Nanocellulose,BNC）三类。当前，对于纳米纤维素的制备有很多方法，其中酸水法制备法是目前在实验室中应用最为广泛的一种。Kontturi 等[19]对棉纤维采用盐酸蒸汽法制备了直径7～8 nm 的纳米纤维素，制得率达97.4%，该工艺对纤维素基质的影响很小，生产效率较高，但存在着制备成本高的问题。以竹浆为原料，通过添加12.5%浓度的磷钨酸溶液，通过水解-球磨法耦合制备出直径25～50 nm、结晶度79.6%的纳米纤维素，得率可达88.4%[20]。此外，纳米纤维素作为线材填充料时，与聚乳酸进行复合，能有效得提高拉伸强度，在实验过程中发现添加纳米纤维素后相比纯的聚乳酸线材，抗冲击高出34%～60%，但是也使得线材热稳定性有所下降。

1.1.2 微晶纤维素

微晶纤维素是以β-1,4 葡萄糖苷键结合而成的直链多糖物质，是一种由天然纤维素经稀酸水解而成的能自由流动的极微小的短棒状或粉状多孔状颗粒，该结晶粉末呈现白色，无味并不溶于水、稀酸、稀碱和大多数有机溶剂[21]。因微晶纤维素聚合度低、比表面大的特点，被广泛应用到许多领域。微晶质纤维素由于具有赋形、粘结、吸水膨胀等特点，常用作吸附剂、助悬剂、稀释剂和崩解剂[22]；作为功能食品基料——膳食纤维，在食品工业中经常用作保健食品添加剂；还可以作为拼接材料，用于各种化妆品、皮肤治疗和护理用品，以及用于制造清洁剂。在传统的制取微晶纤维素过程中需要使用强酸、强碱和化学药剂，这对环境存在一定的危害。为此一种探索出一种新的制取方法，该方法以玉米芯为原料，利用化学药剂制备羟基自由基活性氧，并采用电催化氧化纤维素技术制备合成革微晶纤维素，不仅实现了绿色经济的循环经济，而且在一定程度上缓解了石油资源的短缺。微晶纤维素在高温下容易分解，将其单独作为打印材料时，容易发生喷头堵塞情况，一般采用填充复合的方法来制备线材，微晶纤维素与聚己内酯混合通过熔融沉积的方式所制备的线材表面光洁，不易翘曲，强度好（抗张强度32 MPa，断裂伸长率400%），质量轻，易生物降解。

1.1.3 纤维素醚

纤维素在碱性条件下进行醚化，一般使用NaOH 与纤维素反应，然后再与单氯甲烷、环氧乙烷、环氧丙烷等多功能单体醚化，最后经水洗副产物盐及纤维素钠得到纤维素醚[23]。纤维素醚一般呈现出白色或乳白色，无刺激性气味也无毒性，易溶于纤维状的粉末中，易吸潮，在水中进行溶解表现为透明的稳定胶体。根据离子性特征，纤维素醚可分为四种类型：非离子型纤维素醚、阳离子型纤维素醚、阴离子型纤维素醚和两性型纤维素醚。常用的纤维素醚有甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素等。其中羟丙基甲基纤维素与聚乳酸复合所制备的线材，虽说对于线材的机械强度有一定的冲击，但是有效的提高了线材的亲水性。

1.1.4 纤维素酯及纤维素醚酯

由酸、酐、酰卤等与活性羟基在酸催化作用下与纤维素分子链中的活性羟基进行酯化反应，得到纤维素有机酯和无机酸酯[24]。纤维素酯主要有纤维素醋酸酯和纤维素丙酸酯。纤维素酯常作为改性树脂，添加剂或主要成膜物[25]，不管是从原料还是自身的结构和性能来看，它在医药、纺织、涂料、膜学、生物材料、环保等领域都具有广泛的应用前景。就纤维素醚酯而言，是指对纤维素醚类衍生物进一步酯化，使其纤维素大分子中的剩余羟基被酯化，而在部分酯化后产生的羟基又被酯化所得即是纤维素醚酯类。纤维素醚酯目前主要是羟丙基甲基纤维酞酸酯（Hydroxy Propyl Methyl Cellulose Phthalate,HPMCP）和羟丙基甲基纤维素醋酸琥珀酸酯（Hydroxy Propyl Methyl Cellulose Acetate Succinate,HPMCAS）。这些醚酯主要应用于医药领域来制备片剂包衣。

1.2 纤维素及其衍生物线材的制备

复合纤维具有多种优良的性能，其优越的性能常常被用来替代原材料，将其应用于纤维素材料的3D打印将是今后发展的重要方向。此外，随着3D 打印技术的发展，纤维素及其衍生物（特别是纳米纤维素）逐渐成为极具应用前景的3D 打印“墨水”材料，同时人们对纤维素材料（表2）以及不同线材（表3）的制备和改性研究极为关注，它优良的性能为3D 打印工艺设计和最终产品性能的提高提供了许多可能性，为生产可持续发展、结构特殊的新型功能材料提供了新的思路和途径。

表2 纤维素及其衍生物线材的物理特性

（续表2）

表3 纤维素基线材的制备及改性

1.2.1 以纳米纤维素为填充材料的复合线材

作为生物基材料之一，以玉米、马铃薯等为原料，采用化学方法合成的聚乳酸，具有可生物降解性、无毒害、安全等特点，但由于聚乳酸本身存在的抗冲击能力差、韧性低、硬度大等问题，使其应用受到限制，因此往往需要对其进行改性或与其他材料进行物理或化学程度的复合才能获得较好的性能。

纳米纤维素材料相较其他聚合物材料在来源和价格方面具有明显的优势，同时具备可生物降解性、可再生性、无毒环保等优异性能，并且纳米纤维素因其纳米尺寸效应而具有较高的比表面积、优良的机械性能，使得开发纳米纤维素/聚乳酸复合材料在资源利用和环境保护方面具有重要意义。

Sun Jianzhong 等[27]采用纯聚乳酸微粒作基质，纳米纤维素作为填充材料，引入聚乙二醇600 作为平滑剂，制备了用于3D 打印的纳米纤维素填充聚乳酸生物复合纤维（如图2），并对打印线材的热稳定性、力学性能和吸水性能进行分析，实验结果表明CNF 提高了聚乳酸/聚乙二醇600/CNF 复合纤维的热稳定性，其拉伸强度和断裂伸长率均比未填充的聚乳酸 FDM 纤维有较大提高，拉伸强度增加了33%，断裂伸长率增加了19%，同时由于 CNF 具有亲水性，复合材料的吸水率也有较大提高。通过实验分析，酪蛋白在pH为8 时对于纤维素纳米纤维与聚乳酸的相容性具有很好的改善作用，并且发现在酪蛋白存在时CNF 与PLA的相容性提高了50%，与纯CNF/PLA 纳米复合材料相比，添加酪蛋白后的纳米纤维素/聚乳酸复合线材的延伸率提高了约130%，拉伸韧性提高了60%，而拉伸强度和杨氏模量只有轻微的提高（6%和12%）[33]。Piorkowska E 等[34]合成了聚乳酸与电纺纤维素纳米纤维（CNFs）及标准尺寸纤维（CSFs）的复合材料，并进行测试，表现所得到的纳米复合材料的碳纳米纤维质量分数为2%，在聚乳酸基体中表现出良好的分散性。在20～80℃的温度范围内，与纯聚乳酸相比，碳纳米管的储能模量从14% 提高到25%，同时在45℃和55℃范围内CNFs 使材料的屈服应力增加约50%。

图2 纤维素纳米纤维素（CNF）粉末（a）；在Wellzoom 台式挤出机上挤出的复合长丝（b）；复合长丝（直径1.75 mm）（c）；在M3036 FDM 打印机上打印的样本（d）；填充10%和35%的打印样本（e）；3D 打印样品猴脸100%填充（f）[27]

1.2.2 以木质纤维素为填充材料的复合线材

木纤维素是一种絮状纤维，由天然可再生木材经过一定的化学处理和机械加工而成，在自然界中含量丰富，主要由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成[35]。

国内对于木质纤维素增强生物可降解材料的研究主要是对木纤维聚乳酸复合材料的研究。应宗荣等[36]对木粉/聚乳酸复合材料进行了研究，发现随木粉的增加拉伸强度也增加，当木粉质量分数为40%时，复合材料强度可达到最大值复合材料强度高达79.4 MPa 比纯聚乳酸高41.8%。在对所制得的改性木素/聚乳酸复合线材性能分析时[28]，宋庆龙等选择先用碱处理木质纤维，再用马来酸酐处理木质纤维，结果表明，与未改性木素/聚乳酸复合线材相比，线材的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率分别提高了35.7%、22.3%和48.0%，但是其冲击强度降低了10.0%。Pierfrancesco Cerruti 等[37]对长山核桃壳中的木质素与全纤维分离后，将其用作增强材料制备聚乳酸复合生物长丝，采用双螺杆微型挤出机挤出，之后对挤出线材进行进一步的分析，发现全纤维素使得模量提高25%，而木质素则赋予了聚乳酸基体更好的延展性，使得破坏时的应力和应变分别增加55%和65%。

1.2.3 以羟丙基甲基纤维素为填充材料的复合线材

羟丙基甲基纤维素（Hydroxypropyl Methyl Cellulose,HPMC）是一种混合纤维素醚，来源于天然植物纤维。在HPMC 中，纤维素的羟基部分被甲基醚化，少量被羟丙基取代。在纤维素衍生物中，HPMC 由于具有易用性、生物相容性和生物降解性等特点被广泛应用于制药和食品工业[29]。

Guangpeng Jiang 与DongliangTao 等[29]采用熔融沉积法（FDM）制备出 HPMC 和 PLA 含量在7%以上的复合纤维，并对其显微结构、热学性能、力学性能和水接触角进行了研究。实验中观察到HPMC 在PLA 基体中的均匀分布和分散，这验证了将HPMC 添加到PLA 长丝中的可行性，另外，纯PLA 长丝的冷结晶温度由111℃降至104℃，强度基本保持不变，但是由于HPMC 的加入，导致孔隙率的增加使得拉伸强度和冲击强度下降，值得注意的是，线材的亲水性有所增强，水接触角降低30℃，表明这种复合线材有望应用于医学领域例如支架。图3 是所挤出的线材以及用该复合线材打印的迷你城堡。

图3 挤出的复合长丝（a）；打印的哑铃型片材（b）；打印的城堡模型（c）[29]

1.2.4 以微晶纤维素为填充材料的复合线材

微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose,MCC）是一种极具发展前景的高分子纤维增强材料，在比表面积上比其它常规纤维素更具优势。Mathew 等[30]用微晶纤维素（MCC）作为增强体，以聚乳酸（PLA）为基体，制备了可生物降解复合材料，并对制备线材的力学性能材料的粘弹性和结晶度进行了研究。评估结果表明，复合材料的拉伸模量随着MCC 含量的增加而增加，但拉伸强度和断裂伸长率下降，材料的储能模量和热稳定性仅略有提高，然而，在生物降解性方面，研究发现，这种复合线材具有很大的优势，相信将微晶纤维素分离成纳米晶须后加入聚乳酸中，将产生出高性能的可生物降解复合材料。相比之下Maurice N.Collins 等[31]采用一种全新的、可降解的打印方式，通过熔融沉积成型技术，以微晶纤维素为聚乳酸增强相，采用两步法，PLA/MCC 薄膜流延法和挤出法制备生物复合长丝。设置对照试验未改性的纤维素/聚乳酸复合材料与改性纤维素/聚乳酸复合材料相比较，发现改性后的纤维素/聚乳酸复合线材在储热能量方面有所提高，同时通过对复合线材的力学性能测试发现，比纯PLA 线材更为坚硬。微晶纤维素除了对聚乳酸的填充外，Maria Elena 等[32]研究了在聚己内酯基质中加入微晶纤维素制备具有良好力学和生物学性能的复合纤维打印生物支架，通过对所制备线材的性能分析，发现加入微晶纤维素后，其结晶度提高至30%以上，抗张强度也提高到72 MPa，同时低浓度的微晶纤维素有利于提高线材的生物亲和性，促进细胞的增殖，在医疗领域中具有很好的应用前景。

2 纤维素及其衍生物打印线材的应用

作为生物圈中最普遍和丰富的多糖之一，纤维素被认为是满足日益增长的绿色和生物相容性产品需求的一种源源不断的原料来源，纤维素材料广泛应用于生物医学、电子设备、能源储存、纺织等多个领域。3D 打印纤维素材料作为一种新型的生物材料，结合了生物材料和生物质材料的优点，在骨修复替代、组织工程、药物缓释、基因载体、蛋白质吸附等方面有着广阔的应用前景，是目前生物技术领域的研究热点。

2.1 纤维素基线材在医疗领域的应用

熔融沉积模型（FDM）是制造个性化药物最常用的印刷方法之一，而在众多的未来生物材料中纤维素基的线材在医学领域备受关注（如图4）。自从2015 美国FDA 批准第一款口腔崩解3D 打印片剂后，制药行业对3D 打印的兴趣增长非常迅速。使用羟丙基甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素醋酸琥珀酸酯，采用热熔融挤出（HME）法制备了药物-聚合物混合物的长丝，所挤出的长丝柔韧具有良好的机械性能，利用该线材打印了速释片药剂，随后采用薄膜铸膜法对药剂进行分析，含药量为10%，填充量为60%、100%的片剂在两个pH 分别2 和6.8 时表现高溶出度同时研究人员发现多孔片（填充量为60%）的释放速度明显比非多孔片（填充量为100%）快。Kinga 等[38]也采用FDM 与HME 相结合的方式用羟丙基甲基纤维素进行了缓释片剂的打印。Marina 等[39]利用羟丙基纤维素也进行过类似的药剂打印工作。不同的是Marina 等采取的打印方式是直接粉末打印，避免了热熔挤出，通过降低热应力潜在的延迟了药剂的保质期。

图4 纤维素基线材在医学领域中的应用

除了使用3D 打印技术对纤维素基进行药物片剂的打印外，在药物递送领域也有广泛的研究。Melocchi等[40]基于可溶胀/可溶蚀聚合物（羟丙基纤维素，HPC）然后利用计算机辅助设计软件，设计胶囊的尺寸、形状、壁厚、锁紧机构和细节的数字模型，最后采用FDM 与HEM 相结合的打印方式制备了口服脉冲释放胶囊装置。鉴于口服式的胶囊的开发，不得不考虑胃阻力对于胶囊的影响，因此Macchi E 等[41]研究了基于羟丙基纤维素通过注射成型的方法制备了一种胶囊包衣。与Melocchi 等不同的是Abdul W Basit 等[42]使用双FDM 打印机打印多种多层胶囊形状的装置，并修改药物释放曲线，以满足特定治疗的需要。

在血管组织工程中，血管的修复和置换最为常见。近年来人工支架、人造血管越来越被人们所接受，一般来说，人造血管必须满足具有良好的生物相容性、可控的生物降解性和适合的力学性能[43]，为避免修复血管时发生血栓现象内化皮也是必不可少的[44][44]。在支架材料中，一些天然高分子材料如明胶和透明质酸虽然表现出良好的生物相容性，但机械性能较差。就合成聚合物来说如膨体聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯表现出较好的机械性能却缺乏细胞亲和力，容易导致术后并发症。因此，基于纤维素纳米纤维的优异特性，基于纳米纤维素的血管支架被推荐。通过静电纺丝和去乙酰化制备了醋酸纤维素和含有NCC和微晶纤维素（MCC）的纤维素纤维支架，由于纤维素颗粒的存在，支架呈现出了多尺度结构，与天然ECM 相似。MCC 与NCC 之间存在协同作用，MCC 为细胞提供锚定，NCC 促进细胞粘附。

2.2 纤维素基线材在电子领域的应用

纤维素除了作为复合增强材料、流变改性剂，近年来在柔性电子领域也开始展露锋芒。作为柔性电子的基底一般为纸或者是聚合物薄膜，由于基地与电路紧密联系且有时会需要高温烧结，纳米纤维素基底的优势就凸显出来了。CNF 薄膜相对于普通的纸张来说，在孔隙率和平滑度上都更胜一筹[45]，使得打印的CNF 薄膜具有更低的电阻率，同时它能承受接近200℃的烧结温度。纳米纤维素纸还可作为新型的柔性电子器件的基材用来集成柔性晶体管阵列，制备的晶体管迁移率都具有良好的性能[46]。同时在电池和储能装置的研究中，细菌纤维素也被用做制备超级电容器电极的基材[47]。通过挤压NFC 和GO 凝胶或NFC 和碳纳米管凝胶制备了高导电性（649±60 S/cm）超细纤维[48]。除此之外，纤维素也常被用来制备柔性传感器，使用3D 打印的方法，将传感器集成到包装中，可用于食品的检测，将传感器应用于可穿戴设备用来检测人体的心率、血压运动健康状态。纳米纤维素主要还用作印刷电子产品的基材，大多数已发表的结果将使用纳米纤维素基材获得的导电性能与使用玻璃和塑料等常规基材获得的导电性能进行了比较，有的表明，使用纳米纤维素基材的在导电性能方面有显著的提高。图5 中展示了纤维素在从油墨到基材的柔性电子产品的各种应用中都具有非常有前途的性能。

图5 微纤维的制造及导线打印（a-b）；细菌纤维素制备的柔性衬底（c）；基于纳米透明纸基的OTFT 阵列（d）；纳米纸上发光二极管电路（e）；微纤维作为导线连接点亮发光二极管（f）[45,47-48]

2.3 其他应用

如今随着科学技术的进一步发展，制造产业变得更加的科技化，尤其是当前智能包装与纺织品领域，使用纤维素材料的3D 打印也在迅速发展，表现出很好的应用前景。印刷的纤维素结构具有很好的机械性和良好的柔韧性，导电性能强的纳米纤维复合材料印刷打印成的纺织品可用于柔性、可穿戴的传感器和显示器[49]以纤维素纳米纤维为膳食纤维的3D 食品印刷技术也被用来开发健康的具有个性化的食品。正因有3D 打印技术的介入使得食品加工更具灵活性，并且在一定程度上被允许设计可替代的成分和复杂的食品外形。

3 结语与展望

随着目前科技技术的快速发展，信息化、智能化变得越来越普遍，以3D 打印为技术支撑，纤维素材料为打印载体，实现3D 打印与纤维素基材料的结合，相信这将会是智能制造的一次重大的创新。它将兼顾3D 打印技术和纤维素材料的优势，既增加了3D 打印材料的种类又实现了纤维素的多元化利用。本综述介绍了各种纤维素基线材的制备方法和所打印出线材的特性表征，并例举了纤维素及其衍生物在3D 打印中的应用。

尽管目前纤维素基线材为大家所关注，其应用也十分广泛，但3D 打印技术仍然还面临着很多的困难与挑战。纤维素基打印材料的还有待开发；随着打印精度越来越高，对于3D 打印机也须达到纳米级；目前3D 打印商用化还十分缓慢，完整的产业链还有待发展。

在不断完善3D 打印技术的同时，也开始有人在3D 打印的基础上探索4D 打印技术，4D 打印可以说是3D 打印开辟出来的一种新的印刷方式，该印刷是一种多材料的印刷，也是通过编程来调整结构，将一维或者二维结构转变为三维结构[50]，与3D 打印产生的静态对象相比，4D 打印允许3D 打印结构响应于外部刺激（例如温度、光、水等）随时间改变其配置或功能。纤维添加剂在4D 印刷中也起着十分重要的作用，通过添加纤维来控制打印后物体的形状变化。目前，更多的是利用4D 打印技术使生物相容性的材料或者是细胞结构在打印后随时间的推移而变化。借助4D 打印制造下颌骨和颅盖骨、软骨和骨骼肌，在生物医学上表现出巨大的潜力，例如组织工程、药物输送和构建适合移植和器官再生的功能器官，然而，4D技术也还只是刚起步，有着诸多限制，例如适用的印刷方式有限，主要是复合喷射印刷和挤压印刷，此外，4D 打印最大的挑战是材料，需要开发更多的适合4D 打印的新材料，相信在不久的将来4D 打印能满足更多的应用。

此外，全球新冠肺炎的流行，人们开始关注抑制病毒的传播方式及预防措施。通过被污染的表面积传播，被认为是SARS-CoV-2 传播的主要途径，目前在抗病菌材料和涂层方面也已有大量的工作，主要是通过降低细菌的附着来减少细菌的传播。这些工作都是利用纳米材料、化学改性和微纳米结构，通过表面结合活性抗菌剂和生物涂层，实现抗菌效果。常用的抗菌剂有壳聚糖、纳米TiO2和银离子等，采用不同的抗菌剂可以制备不同类型的纤维素抗菌材料，例如，利用壳聚糖溶液包覆法可制备具有高气体阻隔性及抗菌性的透明纤维膜；对纳米TiO2采用原位法和非原位法可制备基于光催化的抗菌材料；以银离子为载体，合成了50%纤维素、50%角蛋白和银的生物相容性复合材料，其对大肠杆菌和金葡萄球菌都表现出良好的抗菌性，纤维素基抗菌材料作为一种新型抗菌材料，具有良好的发展前途和广阔的应用潜能，因此，植物纤维素基3D 打印线材在抗菌性上的研究值得探索[51]。