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3D打印研究揭示:3D打印颗粒污染对人体具有潜在毒性

2020-12-28  3031

3D 打印是快速成型技术的一种,又被称为增材制造,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

自 20 世纪 90 年代中期出现以来,3D 打印一直是工程领域的热门研究方向。因为相较于传统加工,3D 打印可以制作复杂的形状,并且使单独制造零件的成本更低,这两个优点使 3D 打印在某些情况下是不可替代的。

但是,在 2020 年 12 月 13-17 日举行的 2020 年风险分析协会(Society for Risk Analysis)虚拟年度会议上,几项新的研究发现,3D 打印会释放出危害人类健康的有毒颗粒,并且这种颗粒对儿童的毒性更强。

危及健康的材料颗粒

3D 打印通过熔化塑料细丝或其它基础材料来工作,这些材料包括纳米粒子、金属、热塑性塑料等。然而当塑料或其它基础材料被加热熔化时,它们会将挥发性化合物释放到打印机和物体附近的空气中。

3D 打印过程

在打印过程中释放到环境中的化学产物和颗粒会随着打印时间的增加而逐渐积累。因为这些存在环境中的颗粒足够小,所以它们可以渗透到肺部,从而损害人类健康。

鉴于这些未知的风险,科学家们已经开始进行研究,了解这些释放物及其在室内环境中的具体成分、颗粒大小和停留时间,从而产生可纳入可靠的暴露和风险评估的数据。

在风险分析协会虚拟年度会议期间举行的 3D 打印和新兴材料风险评估研讨会上,几项研究表明,3D 打印过程中释放的颗粒会影响室内空气质量和公共健康。同时会议也介绍几项旨在表征和量化室内环境中的释放和成分、粒度和停留时间的研究。

风险分析协会成立于 1980 年,是一个跨学科、学术性的国际协会,它是对所有风险分析感兴趣的人提供的一个开放论坛。自 1981 年以来,一直出版《风险分析:国际期刊》,它是该领域领先的学术期刊。

风险研究人员提出了涉及 3D 打印影响健康和安全的新问题,以及如何减轻 3D 打印用户和使用这种新兴技术生产的产品消费者存在的任何健康风险,尤其是对儿童健康的影响。

众多研究证实 3D 打印的危害

美国环境保护署(EPA)的两项研究分析了 3D 打印中细丝挤出机的排放,这些设备用于创建 3D 打印的细丝。然后使用模拟模型查看产生的颗粒数量,以及在不同年龄段的人使用 3D 打印机时这些材料颗粒沉积在人体的哪些部位。

研究发现,细丝挤出机释放出的小颗粒和蒸汽量与 3D 打印的其他研究中发现的相似。并且模拟模型预测,对于 9 岁及以下的儿童,肺部单位表面积的颗粒质量沉积更高。但是需要更多的研究来确定吸入剂量为多少。

EPA 相关研究的主要作者之一 Peter Byrley 在一份声明中说:“迄今为止,公众几乎没有意识到 3D 打印机可能产生的危害。这项研究的潜在社会效益是提高公众对 3D 打印机危害,以及儿童可能更高危害性的认识。”

正在工作中的 3D 打印

由美国国家职业安全与健康研究所 Yong Qian 博士进行的另一项研究表明,通过检查吸入暴露在 3D 打印过程产生颗粒的人体肺细胞和动物,评估 3D 打印过程中产生的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)排放物的潜在毒性。

这项名为 “ABS 打印机排放引发体外和体内毒性” 的研究结果表明,打印过程中排放的颗粒在人肺细胞中引起中度毒性,在动物中产生的毒性较小。

值得注意的是,尽管今天提出的许多研究仍处于早期阶段,但它为证实 3D 打印机具有潜在毒性增加了越来越多的证据。

例如,去年发表的相关研究发现,ABS 和聚乳酸(PLA)颗粒均会对细胞活力产生负面影响,后者会引发更强的毒性反应。

领导这项研究的佐治亚理工学院地球与大气科学学院教授 Rodney Weber 说:“毒性测试表明,与 ABS 颗粒相比,PLA 颗粒的毒性更大,但因为打印机排放的 ABS 材料颗粒占据主要部分,所以 ABS 排放的细微颗粒才是更令人担忧的。”

总的来说,这些研究表明,随着时间的推移,暴露在这些 ABS 细丝颗粒中可能会像城市环境中被车辆或其他排放物污染的空气一样有毒。

这项研究还发现,熔化 ABS 细丝所需的温度越高,产生的颗粒排放量就越大,并且从 3D 打印机排放的 ABS 颗粒的化学特性与 ABS 细丝不同。

Weber 说:“当 ABS 细丝公司生产某种类型的细丝时,他们可能会添加少量的其他化合物来实现某些特性,但他们通常不会透露这些添加剂是什么。由于这些添加剂似乎会影响 ABS 的排放量,并且添加到 ABS 中添加剂的类型和数量可能会有很大的差异,因此消费者可能会购买某种 ABS 细丝,它产生的排放量可能会远远超过不同供应商的排放量。”

所以选择一种更加环保的材料,也尤为重要。

工作人员正在查看打印完成的试样

杜克大学 Joana Marie Sipe 进行的另一项研究发现,3D 打印可能不仅对人体有害,而且由打印机制造的塑料制成的副产品也可能对环境造成破坏。

在这项研究中,Sipe 开发了一种机器,可以测量塑料产品(例如水壶)在使用过程中以及在环境中通过摩擦和打磨可以分解的程度。然后将塑料颗粒喂给鱼类,观察塑料中的纳米颗粒对它们器官的影响。

她发现,当塑料分解时,掺入的纳米材料会暴露于环境中。研究人员能够预测被鱼吃掉时从塑料中逸出的纳米颗粒的百分比,从而提供了一种矩阵释放因子(MRF),可以用来找出当有人咀嚼产品或产品在海洋中分解时释放出的塑料和纳米粒子的数量。

Sipe 说:“这项研究有助于根据特定消费产品的 MRF 值,设定纳米材料填充剂的添加量,这些数据可以帮助确定有多少塑料或纳米填充产品向环境或人体释放污染物。”

亟待解决的问题

会议也提出,随着 3D 打印技术的日益普及,监管机构、制造商和用户可能需要将注意力集中在更好地管理潜在风险上。

例如,3D 打印机的操作员可以采取一些措施来减轻其对空气质量的影响,包括:

●仅在通风良好的区域操作 3D 打印机;

●将喷嘴温度设置为建议的 ABS 细丝材料温度范围的下限;

●远离正在运行中的 3D 打印系统;

●使用经测试和验证具有低排放量的机器和 ABS 细丝。

现如今,3D 打印技术越来越多地用于家庭、学校、图书馆和其他人们通常花费大量时间的场所。

同时在疫情期间,3D 打印广泛用于制造 COVID-19 的口罩、呼吸器和其他个人防护设备,因此解决这些颗粒的问题有了新的紧迫性。

但是 3D 打印过程释放颗粒污染的问题,并不是一个容易解决的问题。或许将来在材料、工程机械等多学科的共同发展下,这个难题最终会被攻克,届时人们才能真正安全地使用 3D 打印技术。

参考资料:

https://www.sra.org/2020/12/18/3 ... e-toxic-for-humans/

来源:钛媒体



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