聚酰胺（PA）是一種非常常見的3D打印材料。聚酰胺材料通常用數字表示：PA-6，PA-11，PA-12，PA-66等，它們也被稱為“尼龍”。根據3D科學谷的市場研究，聚酰胺是選擇性激光燒結-SLS、多射流熔化-MJF、高速燒結-HSS這三種工業級塑料3D打印技術中使用最廣泛的材料，在康復矯正器械、假肢、手術導板、運動防護頭盔內襯緩沖結構制造中的應用得到了快速發展。

由于3D打印零件表面易出現粗糙、多孔且呈現粉末狀的情況，這些微小的結構為細菌和真菌提供了繁殖的環境。這種情況尤其是對于需要貼身使用的聚酰胺3D打印醫療器械、運動防護裝置來說是不利的。

本文將分享一種能夠改善3D打印聚酰胺零件抗菌性能的新型表面處理方法。在依據此方法所開展的相關研究中，經過表面處理的3D打印零件與未經過處理的3D打印零件經過了微生物生長情況比對分析。

表面改性減少細菌附著

當前常用的塑料3D打印零件表面后處理方法包括涂層和機械打磨。機械打磨并不會將表面存在的微孔進行密封，并且在處理過程中會產生可進入人體呼吸系統的聚合物微纖維，因此尤其不適用于處理醫療呼吸設備中用到的3D打印零部件。涂層處理可以產生光滑、密封的表面，但是大大增加了后處理成本。

如果對于3D打印塑料零件的抗菌性要求較高，還有另一種方法是將粉末打印材料與抗菌顆粒混合，但是這種方式限制了材料的選擇，并可能降低材料所需的機械性能。

圖1 a）3D打印后的粗糙表面；b）BLAST技術處理后的平滑表面

在相關研究中，研究人員使用了一種基于蒸汽的新型表面平滑技術，該技術被稱為BLAST（邊界層自動平滑技術）。BLAST 工藝在受控的環境下進行，可以均勻地平滑和密封難以到達的區域（例如3D打印零件的內腔和管道系統）。這一方法不僅僅適用于PA12、PA11等3D打印聚酰胺材料，也適用于多種其他熱塑性聚合物3D打印材料，例如TPU，ABS，ULTEM等。

在BLAST過程中，聚酰胺3D打印部件頂層經過回流處理，從而形成光滑、密封和易于清潔的表面（如圖1b）。加工后的表面分別通過了ISO 10993-5和ISO 10993-10的細胞毒性和皮膚刺激性測試。該方法的優點之一是完全清除了松散的半燒結顆粒。

材料與方法

研究中測試了由PA12 3D打印的12個零件, 其中6個經過BLAST技術處理，其余6個未經過處理。測試樣件是由惠普 Multi-Jet Fusion（MJF）3D打印技術制造的。

為了比較，研究人員使用Mitutoyo Surftest SJ-210表面粗糙度分析儀測量了已處理和未處理樣品的表面粗糙度。在進行表面處理前后分別在每個表面的不同區域進行五次測量，并取平均值。這項工作是根據ASTM標準ASTM D7127執行的。

抗微生物活性的測定是基于MOD ISO 22196：2011標準方法進行的。在35°C（±2）的相對濕度> 90％的條件下，測試時間為24小時（±1）。將樣品在65°C的干熱條件下滅菌1小時，然后針對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌進行測試。

結果與討論

加工樣品和未加工樣品的表面粗糙度比較如圖2所示。通過BLAST處理，PA12 3D打印零件可以獲得Ra值低于1μm的注塑成型表面。如小標準偏差所示，經過BLAST技術處理的表面也表現出良好的重復性。

圖2 表面粗糙度結果

分析表明，經過后處理的3D打印零件已通過抗菌測試，顯示針對MRSA的細菌生長減少量為99.88％，針對大腸桿菌為99.78％，而未經后處理的零件未通過測試，顯示隨著時間的流逝MRSA的減少程度有限，并且大腸桿菌顯著增長。

3D打印零件抗菌性能的改善可以通過消除細菌生長的有利環境來解釋，即后處理消除了容易被微生物附著和生長的毛孔、松散的粉末以及粗糙表面的粗糙封閉區域。3D打印零件表面改性的物理性質使細菌附著和生長減少。

結果表明，測試樣品的極限拉伸強度沒有損失，斷裂伸長率（EAB）明顯增加，而楊氏模量則下降。斷裂伸長率的增加，是由于去除表面孔隙后，PA 12 3D打印零件表面上引起裂紋的部位減少了。此外在這類后處理設備中加工的PA 12 3D打印零件尺寸變化可忽略不計，保留了零件公差和細節特征。

結論

蒸氣型表面平滑處理后處理技術有效地減少了PA12 3D打印零件加工表面上的細菌附著和生長。在這方面，這一過程比標準的表面后處理和涂覆方法更有效，并且可以使增材制造零件更廣泛地用于醫療器械領域，尤其是用于制造與呼吸設備相關的零部件。

參考資料：

K. Rybalcenko et.al. Surface processing of additively manufactured articles for the improvement of antimicrobial properties. Infinite Science Publishing.