这篇文档发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊，预计于2026年正式出版，目前是“in press”状态。论文的通讯作者是东北林业大学的肖绍良（Shaoliang Xiao），第一作者是赵鑫（Xin Zhao），合作作者包括李健（Jian Li）。所有作者均来自中国东北林业大学的两个机构：生物质材料科学与技术教育部重点实验室和先进木质材料教育部工程研究中心。
二、 研究背景与目的
本研究属于先进制造与高分子材料科学交叉领域，具体聚焦于增材制造（Additive Manufacturing, AM，俗称3D打印）用高性能光敏树脂的开发。
研究背景： 增材制造作为核心先进制造技术，在航空航天、生物医学和工业部件制造等领域具有极高应用价值。然而，当前主流的增材制造材料（如石油基树脂）存在稳定性差、形状恢复能力有限、机械性能不足等局限，制约了可持续制造的发展。特别是，现有光固化材料往往在刚性与韧性（可变形性）之间难以兼得：脆性聚合物和刚性光聚合物虽具有高刚度，但韧性和变形能力不足，导致打印部件在负载损伤后发生不可逆变形，功能丧失，寿命缩短，并产生大量废弃物。
灵感来源与科学问题： 研究者从自然界植物细胞壁的应力耗散机制中获得灵感。植物细胞壁中，半无序层状结构允许纤维素微纤丝在外部机械应力下通过动态氢键的断裂与重组发生可控滑动，这种分层的能量耗散机制能有效将机械能转化为热耗散等形式，同时保持结构完整性。受此启发，本研究旨在解决一个关键科学挑战：开发一种兼具高强度、优异形状记忆（柔性）性能和快速恢复能力的光敏树脂材料。
研究目的： 本研究的目标是设计并合成一种基于纤维素的光聚合树脂（Cellulose-based Photopolymerizable Resin, CPPR），通过模仿植物细胞壁的应力耗散机制，使其在数字光处理（Digital Light Processing, DLP）增材制造中，实现刚度与可变形性的协同，并具备时空形状记忆能力。最终目标是获得一种机械强度高、可快速恢复、且环境友好的新型3D打印材料。
三、 详细研究流程
本研究流程清晰，可分为材料设计合成、3D打印制造、性能系统表征、以及对比验证与机理分析几个主要部分。
1. 材料设计与合成： 研究以微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose, MCC）为主要碳源，通过三步反应直接合成适用于DLP打印的光固化树脂（CPPR-L），而非传统的作为填料或添加剂使用。 * 步骤一：环氧氯丙烷接枝。 将预处理过的MCC分散在二甲基亚砜（DMSO）中，在碱性条件下与环氧氯丙烷（Epichlorohydrin）发生环氧开环反应，在纤维素的C6位伯羟基上引入反应位点，得到产物MCC-E。反应后通过减压旋转蒸发去除残余的环氧氯丙烷。 * 步骤二：引入光反应基团。 在上述产物MCC-E中，以甲磺酸为催化剂，与甲基丙烯酸羟乙酯（Hydroxyethyl methacrylate, HEMA）反应，将自由基光反应性基团（甲基丙烯酸酯基）接枝到纤维素骨架上，得到CPPR前驱体。后续通过中和及过滤去除未反应的HEMA和催化剂。 * 步骤三：配制可打印树脂液。 将CPPR前驱体单体与反应性共单体乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）、交联剂丙烯酰胺（Acrylamide）、辅助交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）以及光引发剂2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦（TPO）混合，在30°C下搅拌均质，最终得到可用于紫外光诱导自由基聚合的纤维素基光固化打印树脂液（CPPR-L）。作为对照，研究还合成了不含纤维素的HEMA基光聚合树脂（HEMA-PR）以及未进行环氧氯丙烷接枝的CPPR（NE-CPPR）。
2. 增材制造（DLP打印）： 使用米家（Miicraft）Ultra 150 3D打印机进行制造。打印参数设置为：层厚50微米，每层曝光时间8秒，底部5层曝光13秒，设置5个缓冲层，光机功率7.5 mW·cm⁻²。打印后的样品在无水乙醇中清洗以去除多余树脂，然后在405 nm紫外固化箱中后固化5分钟，得到最终固体样品（CPPR-P）。
3. 系统性能表征与实验： 研究对CPPR-P进行了全方位、多尺度的性能测试，并与对照材料（HEMA-PR, NE-CPPR）及主流3D打印材料（UV固化环氧树脂UVEp、聚酰胺尼龙PA、热塑性聚氨酯弹性体TPU）进行了对比。 * 力学性能测试： 使用电子万能试验机（Shimadzu AGS-X 10kN）进行测试。包括单轴压缩测试（评估压缩强度、弹性模量）、循环压缩测试（评估能量耗散和循环稳定性）、单轴拉伸测试（评估拉伸强度）、循环拉伸测试、以及剪切性能测试。所有测试均使用标准尺寸试样，每个条件测试5个重复样本，报告平均值。 * 形状记忆与恢复测试： 设计了两种场景化测试。一是使用万能试验机进行可控单轴压缩至75%应变，观察其恢复；二是将打印的3D机械支撑结构置于公交车轮下，承受不规则多向应力碾压，测试其形态和结构完整性恢复能力。此外，还按照标准形状记忆效应（SME）协议，在100°C（接近玻璃化转变温度Tg）下对样品进行编程（变形）、冷却固定、再加热恢复，计算形状固定率（Rf）和形状恢复率（Rr）。 * 流变学测试： 使用哈克（Haake）Mars60流变仪测试CPPR-P固体圆柱样品的储能模量（G‘）、损耗模量（G’‘）、复数粘度（η*）随剪切应变的变化，以及CPPR-L树脂液的粘度随剪切速率的变化，以评估材料的打印稳定性和结构稳定性。 * 动态热机械分析（DMA）： 使用TA仪器Q800分析仪，在氮气氛围、1 Hz频率下，从25°C升温至500°C，获取样品的储能模量、损耗模量、损耗因子（tanδ）曲线，确定玻璃化转变温度（Tg）并评估阻尼性能。 * 热性能分析： 使用同步热分析仪（Netzsch STA 449 F3）进行热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析，在氮气氛下以20 K·min⁻¹的速率从20°C加热至800°C，评估材料的热稳定性。 * 耐水性测试： 将CPPR-P样品完全浸入水中长达100天，观察其形貌和体积变化，并测试浸泡0、50、100天后的拉伸强度，评估其长期水稳定性。还进行了溶胀测试和水解质量损失测试。 * 结构表征： 使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）光谱验证化学结构；使用X射线衍射（XRD）分析结晶性；使用扫描电子显微镜（SEM）观察打印样品的断面形貌。 * 计算模拟： 使用Materials Studio软件（2023版）对CPPR的固化过程和材料性能进行计算模拟。构建初始反应物模型，进行电子/几何优化，模拟交联和固化反应（温度298 K，压力1×10⁻⁴ GPa，步数1,000,000步，时间步长1 fs），监测交联度、环渗透和分子结构，并对交联产物进行几何优化、退火和动力学模拟，预测其拉伸强度和密度，与实验结果进行对比验证。
四、 主要研究结果
1. 卓越的力学性能与形状记忆能力： CPPR-P展现出优异的刚度-可变形性协同效应。其压缩强度高达115.42 MPa，弹性模量（刚度）达1404.16 MPa，显著优于对比材料PA（49.02 MPa）和TPU（1.89 MPa），与UVEp（1418.05 MPa）相当。在拉伸性能上，CPPR-P的拉伸强度为25.16 MPa，虽略低于脆性的HEMA-PR（27.71 MPa），但关键优势在于其兼具可恢复性。 形状记忆测试结果令人印象深刻：在单轴压缩至75%应变后，CPPR-P结构能在4-5分钟内快速恢复原状。即使在公交车碾压产生的复杂多向应力下，结构也能快速恢复形态和机械支撑功能。循环压缩和循环拉伸测试表明，CPPR-P在20%-50%的应变幅值下能迅速稳定，表现出显著的能量耗散和循环稳定性，且无明显应变软化现象，证明了其优异的抗疲劳性能和形状记忆功能。形状记忆量化指标显示，形状固定率（Rf）为60.5% ± 4.6%，形状恢复率（Rr）高达94.5% ± 2.5%，触发恢复时间（t_r）在100°C下约为60-70秒。
2. 独特的能量耗散与恢复机制： 研究结果表明，CPPR-P的性能源于其仿生设计的多尺度结构协同作用：（i）固化分子结构中纤维素链的有限滑动；（ii）外部应力下松散的分子间氢键的动态断裂与重组；（iii）由C=C键反应形成的刚性碳链骨架；（iv）微相分离结构之间的多尺度协同效应。在循环载荷下，纤维素介导的分子链滑动（微塑性流动）提供了能量耗散平台，而刚性的聚合物网络则确保了整体的结构完整性和快速弹性恢复。
3. 良好的加工性能与环境稳定性： 流变测试表明，CPPR-L树脂液具有温和的剪切稀化行为，在较宽的剪切速率范围内粘度稳定，这有利于打印复杂结构时保持尺寸精度和形状保真度。CPPR-P表现出优异的水稳定性：在水中浸泡100天后，其形貌和体积无明显变化。有趣的是，浸泡50天后拉伸强度基本保持不变（22.55 MPa vs 初始25.16 MPa），且仍保持非线性应力-应变行为和循环恢复能力；浸泡100天后拉伸强度甚至意外增加至42.94 MPa，研究者归因于水诱导的二次交联和网络致密化，但此时材料变脆，失去了变形恢复能力。溶胀测试显示其平衡溶胀率约为26-29%，水解质量损失约17%，表明其具有致密的交联网络。
4. 对比优势明显： 与主流3D打印材料相比，CPPR-P综合性能突出。在压缩恢复测试中，UVEp样品发生灾难性碎裂，PA发生永久变形，TPU则不适合制造此类支撑结构，唯有CPPR-P能快速完全恢复。在循环压缩中，CPPR-P保持完全可恢复的弹性行为，而TPU表现出明显的应变软化，UVEp和PA则无循环恢复能力。
5. 模拟与实验相互印证： 计算模拟预测CPPR固化材料在X-X方向的拉伸强度为27.80 MPa，应变为28.10%，与实验测量的25.16 MPa和相应应变值吻合良好。模拟的样品密度为1.19 g/cm³，也与实验值1.14 g/cm³接近，这从理论上支持了研究结论的有效性。
6. 结构表征验证合成与固化机理： FTIR和NMR光谱证实了环氧氯丙烷和HEMA的成功接枝。DMA显示在~90°C处有一个明显的损耗模量（E‘’）峰，对应于材料的玻璃化转变温度（Tg），并且损耗因子（tanδ）峰表明材料具有良好的阻尼性能。DTG分析表明材料在250°C以上才开始分解，热稳定性好。SEM显示打印样品界面均匀、致密、稳定，XRD表明其结构特征。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发并报道了一种新型的、受植物细胞壁应力耗散机制启发的纤维素基光聚合树脂（CPPR）。该材料可通过DLP技术进行高精度快速3D打印，制备出的结构（CPPR-P）同时具备了高机械强度（压缩强度115.42 MPa，模量1404.16 MPa）和卓越的时空形状记忆恢复能力。其性能源于刚性的聚合物网络与可动态滑动的纤维素缠结结构的巧妙结合。
科学价值： 本研究提出并验证了一种通过仿生设计实现增材制造材料刚度与可变形性协同的新策略。它揭示了将天然生物质的动态能量耗散机制引入合成聚合物网络，可以创造出具有智能响应特性的高性能材料。这为未来设计具有定制力学性能和功能响应的先进材料提供了新的思路和方法论。
应用价值： CPPR材料克服了现有光固化材料在强度与韧性、形状固定与恢复之间的矛盾。其高强度、抗疲劳、快速形状恢复的特性，使其在需要承受冲击、吸收能量并能自动恢复的领域具有广阔应用前景，例如特种防护部件、能量吸收系统、可编程变形结构、软体机器人以及生物医学设备（如定制化植入物或支架）等。此外，以可再生纤维素为主要原料，也符合可持续制造的发展方向。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
论文还提供了详细的补充信息，包括具体的合成步骤方程式、光谱分析、色谱图、各种树脂的成分描述（表S4）、详细的打印参数（表S5）、形状记忆测试数据（表S1）、溶胀和水解质量损失数据（表S2， S3），以及更多的表征结果图（图S1-S15）。这些信息为其他研究者复现和深入研究此项工作提供了充分的基础。作者声明所有数据可根据要求从通讯作者处获取，体现了研究的可重复性和开放性。