近年来，随着3D打印的成本降低、打印材料以及打印技术逐渐创新，该技术已被广泛运用于医疗、工业、航空航天等多个领域[1-3]。3D打印利用计算机对实物进行三维建模；打印过程中对三维模型分层，利用薄层的二维数据分层打印；通过逐层累加的方式得到成品。3D打印可以简化生产流程，缩短产品的研制周期，生产结构复杂的制品[4-5]。聚乳酸（PLA）是一种新型生物基可降解高分子塑料，由可再生植物如木薯、玉米等的淀粉制备。植物淀粉经糖化获得葡萄糖，通过特定的菌种将葡萄糖转化为乳酸单体，乳酸单体经过聚合反应得到PLA。PLA在自然界中通过微生物在一定的条件下分解为水和二氧化碳，具有无毒、无害、无污染等特点，是一种绿色环保材料，相比其他传统的塑料具有更广阔的应用前景。PLA具有生物可降解、透明性较好、抗菌性优良、生物相容性较强、成本较低以及加工便利等优点[6-8]，被认为是3D打印的最佳材料之一。据统计，PLA在所有3D打印材料占比超过40%，在3D打印领域应用较广泛。本研究总结3D打印PLA的改性方法以及工艺改进，并介绍3D打印PLA在多个领域的应用。13D打印改性PLA的方法PLA具有许多有利于加工的优点，但PLA存在脆性较大、熔体强度低以及热稳定性较差等缺点[9-10]，限制其进一步应用。因此需要对PLA进行改性，使其更好地应用于3D打印领域。1.1物理改性物理改性通过混入或复合的方式，引入其他组分弥补PLA的性能。该方法操作简单，工艺便捷，是目前3D打印改性PLA较为常用的方法。为改善PLA的脆性，提高其冲击强度，付汝兴等[11]通过乙烯－醋酸乙烯共聚物(EVA)增韧PLA，研究EVA对PLA力学性能的影响。研究表明：EVA添加量小于10%时，对3D打印PLA/EVA没有增韧作用，可能由于3D打印PLA/EVA材料内部存在部分空隙。EVA的添加量为15%时，可以有效地增韧PLA，使PLA/EVA材料的冲击强度从2 kJ/m2提高至2.8 kJ/m2。聚己内酯(PCL)是一种比较有效的增韧剂，苗剑飞等[12]采用PCL与PLA共混，研究PCL用量对3D打印PLA/PCL共混物力学性能的影响。结果表明：随着PCL添加量的增加，共混材料的拉伸强度以及弯曲强度逐渐下降，冲击强度则逐渐提升。PCL添加量为30%时，共混材料的冲击强度达到15.8 kJ/m2，相比纯PLA增加53.5%。PCL的添加量为10%~20%时，PLA/PCL材料的综合力学性能较好。天然植物纤维具有密度较低且力学性能较好等优点，可以用作增强材料。董倩倩等[13]研究改性松木粉（PWF）以及纳米二氧化硅(nano-SiO2)对PLA力学性能的影响。固定PWF的添加量时，随着nano-SiO2添加量的增加，木塑复合材料综合力学性能明显提升。固定nano-SiO2添加量时，随PWF添加量的增加，复合材料的力学性能呈现先增加后降低的趋势。PWF用量为15%时，复合材料的综合力学性能较优，冲击强度、拉伸强度以及弯曲强度分别达到4.3 kJ/m2、92 MPa、101 MPa。范泽文等[14]利用聚乙二醇(PEG)和羟基磷灰石(HA)对PLA进行物理改性，制备3D打印PLA/PEG/HA线材。结果表明：与纯PLA相比，PEG的加入使线材的断裂伸长率从10%提高至18%，HA的加入使线材的弹性模量提高1 GPa左右。PLA的耐热性较差，较高温的加工过程中可能会发生一定程度的降解。为改善PLA的热稳定性，陆文君等[15]通过可生物降解的木粉(WP)改性PLA，制备3D打印PLA/WP木塑材料。WP的含量为10%时，使木塑材料的断裂强度提高至50 MPa，与纯PLA相比提高20%左右。且WP的加入可以有效提高PLA的热稳定性，T5%提高至310 ℃。石墨烯具有优良的力学性能以及导电性，与PLA共混能够制备导电性较高、力学性能较好的复合材料。吴海华等[16]研究石墨烯添加量对3D打印PLA材料导电性以及力学性能的影响。随着石墨烯含量的增加，复合材料的导电性以及拉伸强度均逐渐增加。石墨烯添加量大于6%时，复合材料的电导率数量级达10-3 S/cm，达到导体及电磁屏蔽要求；添加量大于7%时，复合材料的力学性能达到线材要求。Chen等[17]以PLA、热塑性聚氨酯(TPU)和氧化石墨烯(GO)为原料，制备3D打印PLA/TPU/GO材料。研究表明：GO在聚合物基体中具有良好的分散性，能够增强复合材料的力学性能和热稳定性。GO添加量为0.5%时，复合材料的力学性能明显提升，压缩模量为73 MPa，拉伸模量为80 MPa。1.2化学改性化学改性指通过共聚或接枝等手段，改变PLA的分子链结构，引入功能性基团，从而改进PLA的性能。Gao等[18]通过熔融缩聚的方法，利用PLA与聚（1,4-丁二醇/2,3-丁二醇/琥珀酸/依康酸）(PBBSI)制备共聚物，并对共聚物的分子量及化学结构进行表征。研究表明：PBBSI的加入，抑制共聚物结晶。随着PBBSI含量的增加，共聚物由硬质塑料向软弹性体转变，使共聚物具有良好的弹性与流动性，可用于3D打印材料。Wu等[19]利用丙烯酸(AA)接枝PLA，制备改性聚乳酸(PLA-g-AA)，并与油茶果壳粉(COFHP)共混，制备3D打印改性聚乳酸材料(PLA-g-AA/COFHP)。结果表明：PLA-g-AA中加入COFHP(10%)，使复合材料的拉伸强度从43 MPa提高至47.5 MPa。相比PLA/COFHP，PLA-g-AA/COFHP还表现更好的加工性能以及抗菌性能。黄凯兵等[20]通过meso-丙交酯的开环聚合反应将二醋酸纤维素酯(CDA)接枝PLA中，制备共聚物PLA-g-CDA。随着PLA接枝率的提高，共聚物的成膜性能以及力学性能明显改善。共聚物的拉伸强度最高达到68.5 MPa，对高性能3D打印材料领域具有潜在应用。张登央等[21]将PLA与羟基乙酸(GA)共聚得到PLGA，并与HA共混，制备3D打印多孔可植入人体支架。结果表明：该复合材料的拉伸强度达到38 MPa，弯曲强度为42 MPa，远超人体软骨的力学强度，符合使用标准。且该支架与人体细胞相容性较好，通过安全性评估，符合国家相关标准，可运用于人体骨头修复。23D打印聚乳酸工艺参数研究除3D打印材料的特性，打印工艺参数对3D打印制品的性能也存在较大影响[22-24]。打印工艺参数包括打印方向、打印层高、打印温度、打印速度等。合理的打印参数才能够得到性能较高的制品，以满足使用需求。因此，研究多种打印工艺参数对制品的应用具有重要意义。石庆杰等[25]研究表明：打印纹路方向与受力方向一致且打印填充率较高时，3D打印PLA材料具有较高的抗拉强度。打印层高为0.25 mm，打印速度为30 mm/s时，材料的抗拉强度达到较优值53.2 MPa。张紫阳等[26]研究3D打印参数对柔性PLA服装面料力学性能的影响。结果表明：较大的分层厚度，较高的打印温度以及较高的填充密度与填充角度，有利于改善服装面料的力学性能。分层厚度为0.3 mm、打印温度210 ℃、填充角度45°、填充密度为20%以及打印速度为80 mm/s时，服装面料的力学性能较佳，弹性模量为0.95 GPa，拉伸强度为14.23 MPa。崔荣荣等[27]研究表明：均化段温度对3D打印PLA骨钉的尺寸精度影响最大，最佳温度为260 ℃。打印速率可以改善PLA流动性，提高制品精度以及力学性能，最佳的打印速度为70 mm/s。冷却速率较低使骨钉尺寸偏大，较高容易造成内应力过大，较好的冷却速率为30 ℃/s。张耿彬等[28]研究3D打印PLA与木粉的复合材料中翘曲量的影响因素。研究表明：影响翘曲量最大的因素是打印层厚，其次是喷嘴温度，影响最小因素是平台温度。打印层厚在0.2 mm，喷嘴温度为190 ℃，平台温度为60 ℃时，制品的翘曲量最小，低至0.1 mm。33D打印PLA的应用进展3.1医学领域应用3D打印内部结构复杂的制品较方便[29-31]，因此PLA可用于打印各种医学模型，以辅助教学演示和治疗。由于PLA具备可降解性、抗菌性以及较好的生物相容性，适用于人体内部支架。Anderson等[32]以改性PLA为打印原料，制备3D打印脑动脉瘤模型。研究表明：制备的模型精确度较高，能够用于术前的辅助诊断或教学模型的演示。为改善金属血管支架可能存在的血栓以及再狭窄问题，贾李涵等[33]通过3D打印纤维素增强PLA血管支架。相比纯PLA支架，复合材料支架具备更高的径向支持力以及纵向柔顺性，更适用于血管支架。此外，纤维素增强PLA血管支架还具备生物可降解性，为新型可降解支架的研究提供新的发展方向。刘佳怡等[34]研究不同PLA与HA的比例对3D打印材料在引导犬牙周组织再生的作用。结果表明：打印的支架膜具备合适的孔隙率与力学强度，对牙周软组织具有支撑与保护作用，并且可以促进新生血管和骨组织的形成。PLA含量25%的3D打印支架膜在犬牙周引导组织再生术后具有较好的效果，存在进一步的研究意义。黄从云等[35]对CT检查后的肝脏图进行3D建模，以PLA为原料打印肝脏模型，用于术前分析肝脏的解剖、评估手术的可行性以及优化手术路径及方案。结果表明：3D打印肝脏模型作为手术指导，使手术更精准，有助于提升手术的安全性，一定程度上减少并发症，从而促进患者的康复。Niaza等[36]以PLA和HA为原料制备3D打印多孔支架，用于骨小梁缺损的修复。结果表明：PLA/HA支架在10 MPa的载荷下工作，不会发生形变以及减小力学性能。该支架可作为小骨缺损的植入物，如上颌面骨或小梁骨。PLA/HA具有生物相容性以及生物可降解性，是骨组织工程的理想材料。杨接来等[37]研究3D打印PLA/纳米级β-磷酸钙(β-TCP)在颈椎融合器中的应用。β-TCP的加入可以改善PLA的骨传导作用，并减缓PLA降解导致的酸性环境。研究表明：PLA/β-TCP细胞相容性较好，相比传统融合器效果更佳，且复合材料具有较好力学强度与稳定性，为制备优质颈椎融合器提供新的方向。3.2工业领域应用3D打印在工业领域主要包括工业制品模具、结构较复杂的工业制品或定制工业制品。张涛等[38]以PLA为原料制备3D打印砂型模具制品。研究表明：该方法具有成型周期较短且精度较高的优点。打印的模具制品材质较轻，3D打印技术与铸造成型的工艺可以相互配合，生产小批量制品。为制备个性化定制的低熔点艺术摆件，傅骏等[39]以PLA为原料铸造艺术品模具。通过三维造型绘制图形，3D打印制造模具，通过浇注和喷砂处理得到艺术摆件。结果表明：通过3D打印制备的模具尺寸精准，打印的摆件字迹清晰且没有多余的飞边以及毛刺等，满足生产制造的需求。汽车增压器叶轮的结构较复杂，可以通过3D打印制造。刘祥等[40]以3D打印PLA作为模具，以蜡为浇冒系统进行建模，经过后处理获得型壳。通过型壳焙烧、浇注、喷砂的方式得到叶轮铸件。所得铸件总耗时7.5 d，工艺周期明显缩短，在少量制造方面具有一定的优势。陈军等[41]通过3D打印PLA制备燃料电池双极板。研究表明：调整合适的喷嘴直径、分层厚度以及热床温度等参数，使零件的精度较高，符合使用要求。与传统的制造方法相比，该方法在加工成本方面具有优势，能够制备流道结构精细复杂的双极板。3.3其他领域应用进展3D打印的材料具有质量轻的优点，将其运用于航空航天领域可以减少燃料的消耗以及材料的浪费。纤维素基3D打印PLA材料具有较好的力学性能，可以应用于航空领域[42-43]。在环保领域，3D打印PLA材料可以用于过滤污水，起净化作用。Zhou等[44]通过3D打印的方式，制备PLA/GO/壳聚糖复合海绵过滤器。该仿生3D过滤装置不仅力学性能较高，还表现优良的染料去除率(97.8%)。Shi等[45]制备一种金属有机框架(MOFs)/PLA薄膜，以3D打印PLA为骨架，在PLA表面原位生长Cu-MOFs。结果表明：Cu-MOFs/PLA膜具备可回收性，可有效去除废水中的孔雀石绿。4结论PLA以独特的优势成为3D打印领域的热门研究对象，3D打印改性PLA材料可以满足医疗、工业以及航空航天、环保等领域的需求。但由于3D打印存在成本较高、性能受限等问题，目前还无法实现工业大规模批量化生产。如何生产成本更低、性能更好以及更实用的PLA打印制品，仍需要进一步探索。