《Materials Science and Engineering: B》：Bio-composites with natural, nanomaterial additives and smart manufacturing: A path to sustainable microswimmers
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基于PLA的石墨烯纳米颗粒与圣罗勒叶粉末复合生物降解微游泳器的制备方法及性能研究。通过4D打印、注塑成型和挤出成型技术制备六种原型，分析发现4D打印和挤出成型在结构强度与精度方面具有优势，石墨烯和植物纤维的添加显著提升了材料的机械强度、热稳定性和游泳性能，为绿色生物医学和环保应用奠定基础。
罗普桑迪普·班米迪（Roopsandeep Bammidi）|希玛瓦蒂·马迪瓦达（Hymavathi Madivada）|斯里拉穆卢·道卢鲁（Sreeramulu Dowluru）
印度安得拉邦国立技术学院机械工程系，塔德帕利格杜姆（Tadepalligudem），邮编534101
摘要
本研究介绍了利用一种新型生物复合材料（基于聚乳酸，并添加了石墨烯纳米颗粒和圣罗勒（Ocimum sanctum）粉末）设计、制备及表征完全可生物降解的微型游泳器的过程。通过3D打印、注塑成型和丝材挤出技术制造了六个微型游泳器原型，以比较其机械强度、精度、热稳定性和游泳性能。与传统工艺相比，3D打印和丝材挤出技术具有更高的结构完整性、形状灵活性和制造精度。石墨烯和圣罗勒的添加显著提升了复合材料的界面粘合力、拉伸强度和耐热性。通过FTIR、SEM、TGA、DSC以及拉伸和应力-应变分析等手段验证了该材料的韧性、稳定性和生物相容性。对比性3D建模有助于优化工艺流程并提高重复性。这种生物复合材料作为一种环保且性能优异的材料，在生态修复、微流控技术以及生物医学设备的下一代微型游泳器应用中具有巨大潜力。未来的研究将优化材料组成和工艺参数，以进一步提高其多功能性和效率，而本研究为基于生物聚合物的智能微机器人技术奠定了基础。
引言
可生物降解的聚合物生物复合材料是一种环保的塑料替代品，由天然纤维与可生物降解聚合物结合而成。由于其重量轻、可再生且对环境影响小，这类材料受到建筑、包装和汽车等工业领域的青睐。主要问题包括对湿度的敏感性、纤维与基体的相容性问题以及缺乏回收设施。加工方法（如挤出、注塑成型和增材制造）显著影响材料的纤维取向、粘结质量和最终机械性能。工业4.0和机器学习的最新进展为进一步提升这些性能和促进工业应用提供了新机遇[1]、[2]、[3]。
在生物医学应用中，如靶向药物输送、精准诊断和微创手术中，尺寸在微米级、能够自主运动或在流体介质中受外部控制的微型游泳器变得越来越重要。此外，它们还用于环境监测，例如检测和清除水系统中的污染物。为了满足微型游泳器在微观尺度上的应用要求，使用环保的高性能材料至关重要。尽管生物复合材料通过结合功能性添加剂和可再生天然纤维展现出巨大潜力，但目前相关研究较少，大多数研究仍集中在合成材料上[4]。人工微型游泳器是模仿细菌和精子细胞等生物运动的微型机器，可以是合成的、生物的或混合型的，通过光刻、3D打印、电纺丝和自组装等技术制造，并利用化学梯度、磁场和声波等推进机制。随着生物制造、纳米压印和刺激响应性打印等新制造方法的出现，设计领域持续扩展。然而，可扩展性、可控的生物降解性、生物相容性和监管审批等方面仍存在挑战[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。图1中的示意图直观展示了增强功能材料、制造技术、微型游泳器应用与可生物降解聚合物生物复合材料之间的联系，补充并支持了相关文献研究。
通过使用石墨烯纳米颗粒作为纳米添加剂、圣罗勒叶粉作为天然纤维的增强剂以及聚乳酸（PLA）作为可生物降解基体，本研究填补了这些空白。为了研究不同制造方法对微型游泳器机械性能、热性能和响应特性的影响，分别采用3D打印、丝材挤出和注塑成型技术制备了螺旋形微型游泳器。研究结果揭示了适用于绿色生物医学和环境应用的最佳制造工艺，同时阐明了加工过程、材料结构与性能之间的关系。
材料与方法
本研究中使用的所有设备和材料均经过采购，以确保透明度和可重复性。99.99%纯度的石墨烯纳米颗粒购自印度贾坎德邦的Vedayukt India Pvt. Ltd.；聚乳酸（PLA）则从印度海得拉巴Fateh Nagar的Industrial Traders购买。在印度Tekkali的Aditya Institute of Technology and Management（AITAM）化学与生产实验室内部制备了圣罗勒粉末。
结果与讨论
基于植物的微型游泳器与石墨烯的结合是两个相对较新的研究领域，需要进一步研究。圣罗勒/石墨烯增强的聚乳酸复合材料具有优异的生物相容性、高强度和良好的降解性能，使其在生物医学应用中具有广泛应用前景。纳米颗粒和增塑剂可改善复合材料的抗菌性、热稳定性和机械性能，但仍需进一步研究。
结论与未来展望
本研究证明了使用聚乳酸（PLA）、石墨烯纳米颗粒和圣罗勒粉末制成的可持续生物复合材料制备环保可生物降解微型游泳器的可行性。通过3D打印、丝材挤出和注塑成型技术制备了六个原型，系统地评估了其机械性能、热性能和游泳能力。石墨烯的添加显著提升了复合材料的机械和热稳定性。
作者贡献声明
罗普桑迪普·班米迪（Roopsandeep Bammidi）： 负责撰写初稿。希玛瓦蒂·马迪瓦达（Hymavathi Madivada）： 指导。斯里拉穆卢·道卢鲁（Sreeramulu Dowluru）： 指导。
伦理批准
本研究中未涉及任何涉及人类参与者或动物的实验。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢Adapa Sathish Kumar、Kelli Durgaprasad博士和Dubba Santhosh Kumar博士提供的宝贵意见。
