تطوير وتحليل خيط طباعة ثلاثية الأبعاد مضاد للميكروبات من مركب قشور الفول السوداني-حمض عديد اللاكتيك

جدول المحتويات

1. المقدمة والنظرة العامة

يقدم هذا البحث تطوير خيط طباعة ثلاثية الأبعاد جديد من خلال دمج مسحوق قشور الفول السوداني (جسيمات Arachis hypogaea L. - AHL) في مصفوفة بوليمرية من حمض عديد اللاكتيك (PLA). الهدف الأساسي هو إنشاء مادة مركبة مستدامة تستفيد من وفرة الكتلة الحيوية لقشور الفول السوداني لمنح خصائص فريدة لخيط PLA القياسي. يهدف المركب إلى تحسين الملف الميكانيكي للخيط، وتحديداً معامل مرونته، مع إدخال خصائص مضادة للميكروبات متأصلة في نفس الوقت—وهي ميزة غير موجودة في PLA النقي. يعالج هذا العمل الطلب المتزايد في التصنيع الإضافي على مواد ليست عالية الأداء وقابلة للطباعة عبر تقنية تصنيع الخيوط المنصهرة (FFF) فحسب، بل أيضاً واعية بيئياً ومتطورة وظيفياً للتطبيقات في الأجهزة الطبية الحيوية، والتعبئة والتغليف الآمنة للطعام، والمجالات الأخرى الحساسة للنظافة.

2. المنهجية وتخليق المادة

2.1 تحضير جسيمات قشور الفول السوداني (Arachis hypogaea L. - AHL)

تم الحصول على قشور الفول السوداني وتنظيفها وتجفيفها لإزالة الرطوبة. ثم تم طحنها ميكانيكياً وغربلتها لتحقيق توزيع حجم جسيمات متسق، وهو أمر بالغ الأهمية للتشتيت الموحد داخل المصهور البوليمري. ربما عولج المسحوق (على سبيل المثال، عبر المعالجة القلوية أو بالسيلان) لتحسين التصاق السطح البيني مع مصفوفة PLA، على الرغم من أن ملف PDF يشير إلى أن هذه خطوة تحسين مستقبلية.

2.2 عملية تصنيع الخيط المركب

تم خلط حبيبات PLA ومسحوق AHL جافاً بنسب كتلية محددة مسبقاً (مثلاً 1%، 3%، 5% وزناً). ثم تم تغذية الخليط إلى جهاز بثق ثنائي اللولب للمزج بالانصهار. تم تحسين معلمات العملية—ملف درجة الحرارة، وسرعة اللولب، وزمن المكوث—لضمان انصهار PLA بشكل صحيح وتشتيت متجانس لجسيمات AHL دون تدهور حراري. تم بعد ذلك تحبيب المادة الممزوجة ثم إعادة بثقها عبر جهاز بثق خيوط أحادي اللولب لإنتاج خيط بقطر 1.75 ± 0.05 ملم، مناسب لطابعات FFF ثلاثية الأبعاد القياسية.

3. توصيف المادة والنتائج

3.1 تحليل الخواص الميكانيكية

تم إجراء اختبارات الشد على كل من خيوط PLA النقي والمركب PLA-AHL وفقاً للمواصفة القياسية ASTM D638. أشارت النتائج إلى مقايضة رئيسية:

• تحسين معامل المرونة: أدى دمج جسيمات AHL إلى تعزيز الصلابة (معامل المرونة) للمركب. يمكن نمذجة هذا نظرياً بقاعدة الخلائط للحد الأعلى: $E_c = V_f E_f + V_m E_m$، حيث $E_c$، $E_f$، و $E_m$ هي معاملات المرونة للمركب، والحشو، والمصفوفة على التوالي، و $V$ تمثل الكسور الحجمية.
• انخفاض متانة الكسر: مع زيادة نسبة الكتلة من AHL، أظهرت متانة الكسر وقوة الشد القصوى انخفاضاً طفيفاً. يُعزى ذلك إلى إدخال مسامات مجهرية ونقاط تركيز إجهاد حول السطح البيني بين الجسيمات والمصفوفة، مما يجعل المادة أكثر هشاشة. يسلط معيار جريفيث للكسر الهش، $\sigma_f = \sqrt{\frac{2E\gamma}{\pi a}}$، الضوء على كيفية تقليل العيوب (بحجم $a$) لإجهاد الكسر ($\sigma_f$).

3.2 الخواص الفيزيائية والمورفولوجية

كشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لأسطح الكسر عن نسيج أكثر خشونة ووجود مسامات مجهرية في المركب، مما يرتبط بانخفاض المتانة. تم إجراء قياسات المسامية، ومؤشر تدفق المصهور (MFI)، وترطيب السطح (زاوية التلامس). انخفض مؤشر MFI مع إضافة AHL، مما يشير إلى لزوجة مصهور أعلى، مما يؤثر على قابلية الطباعة. زادت خشونة السطح، مما قد يكون مفيداً لالتصاق خلايا معينة في السياقات الطبية الحيوية ولكنه ضار لتحقيق إنهاءات سطحية ناعمة.

3.3 تقييم الفعالية المضادة للميكروبات

تم تقييم الخصائص المضادة للميكروبات ضد بكتيريا شائعة موجبة الجرام وسالبة الجرام (مثل E. coli، S. aureus) باستخدام اختبارات منطقة التثبيط أو مقايسات التلامس المباشر. أظهرت العينات المطبوعة ثلاثياً من خيط PLA-AHL تأثيراً تثبيطياً واضحاً، مما يؤكد أن المركبات النشطة بيولوجياً داخل قشور الفول السوداني (على الأرجح الفينولات أو مستقلبات ثانوية أخرى) بقيت نشطة بعد المعالجة الحرارية للطباعة ثلاثية الأبعاد. هذا اكتشاف مهم، حيث تفقد العديد من الإضافات الطبيعية وظيفتها أثناء المعالجة عالية الحرارة.

4. التحليل التقني والإطار

4.1 الفكرة الأساسية

هذا ليس مجرد مركب "أخضر" آخر؛ إنه إعادة هندسة استراتيجية للمادة تنجح في مقايضة خاصية هامشية، غالباً ما تكون محددة بشكل مفرط (قوة الشد القصوى في التطبيقات الساكنة) مقابل ميزتين عاليتي القيمة وتميزان المنتج في السوق: زيادة الصلابة والنشاط المضاد للميكروبات المدمج. يستغل البحث بذكاء تيار النفايات الزراعية غير المستغل بالكامل والمنخفض التكلفة لإضافة وظائف، متجاوزاً السرد النمطي للاستدامة إلى سرد تعزيز الأداء. في سوق مشبع بـ PLA وABS العاديين، يخلق هذا مكانة واضحة.

4.2 التسلسل المنطقي

منطق الدراسة سليم صناعياً: 1) تحديد كتلة حيوية نفايات يشتبه في خصائصها النشطة بيولوجياً (قشور الفول السوداني). 2) افتراض دورها المزدوج كمعزز ميكانيكي وعامل وظيفي. 3) استخدام مزج البوليمر القياسي وبثق الخيوط—وهي عملية قابلة للتطوير وذات نفقات رأسمالية منخفضة—لإنشاء المركب. 4) التحقق من الفرضية بشكل منهجي عن طريق اختبار الخواص الميكانيكية والفيزيائية والبيولوجية. يعكس التسلسل بروتوكولات تطوير المركبات الراسخة، كما هو الحال في الأعمال على مركبات الخشب-PLA أو ألياف الكربون-PLA، ولكن مع تحول مقصود نحو الوظيفة الحيوية. قرار استخدام FFF، وهي تقنية التصنيع الإضافي الأكثر سهولة، هو خطوة عبقرية للتجارية المحتملة.

4.3 نقاط القوة والضعف

نقاط القوة: نقطة البيع الفريدة للمادة لا يمكن إنكارها: تحسين الصلابة و الفعل المضاد للميكروبات في وقت واحد من حشو واحد رخيص. العملية قابلة للتطوير ومتوافقة مع البنية التحتية التصنيعية الحالية. استخدام PLA كمصفوفة يضمن بقاء المادة الأساسية قابلة للتحلل الحيوي ومن موارد متجددة، مما يروق للمستثمرين والمستهلكين المهتمين بالمعايير البيئية والاجتماعية والحوكمة (ESG).

نقاط الضعف: مقايضة المتانة هي قيد هندسي حقيقي. الزيادة المبلغ عنها في المسامات المجهرية وخشونة السطح تشير إلى ارتباط سطحي غير كافٍ وتكتل محتمل للجسيمات—وهي قضايا كلاسيكية في المركبات الجسيمية. الدراسة، كما وردت، تفتقر على الأرجح إلى بيانات الاستقرار طويلة المدى: هل تتسرب المركبات المضادة للميكروبات؟ هل يتدهور أداء المادة مع الرطوبة أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية؟ علاوة على ذلك، تم التلميح إلى آلية مضادات الميكروبات ولكن لم يتم توضيحها بعمق؛ هل تعتمد على التلامس أم التسرب؟ هذا الغموض مهم للحصول على الموافقة التنظيمية للأجهزة الطبية.

4.4 رؤى قابلة للتطبيق

لفرق البحث والتطوير: الخطوة التالية الفورية هي هندسة السطح البيني. تطبيق معالجات سطحية (سيلانات، PLA مطعم بأنهيدريد الماليك) على جسيمات AHL لتحسين الالتصاق، وتقليل تكوين الفراغات، واحتمال التخفيف من فقدان المتانة. استكشاف أنظمة حشو هجينة—دمج AHL مع كمية صغيرة من النانو-سليلوز أو المطاطيات—لإنشاء ملف خواص أكثر توازناً.

لمديري المنتجات: استهدف التطبيقات التي تكون فيها الصلابة ومكافحة العدوى ذات أهمية قصوى، ويكون إنهاء السطح ثانوياً. فكر في: دعامات تقويم العظام المخصصة، ومقابض أدوات المستشفيات، وبطانات الأطراف الاصطناعية، أو مكونات معدات معالجة الأغذية. تجنب التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للصدمات أو وضوحاً بصرياً.

للمستثمرين: هذه تقنية منصة. المفهوم الأساسي—استخدام النفايات الزراعية الوظيفية في البوليمرات—يمكن توسيعه. يجب أن يركز جول التمويل التالي على الإنتاج على نطاق تجريبي، والاختبارات الميكانيكية/البيولوجية وفق المعايير ISO، وبدء الحوار التنظيمي مع FDA/CE للأجهزة الطبية من الفئة الأولى.

5. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

التطبيقات المحتملة لخيط PLA-AHL كبيرة، خاصة في القطاعات التي تتطلب النظافة والاستدامة:

• الأجهزة الطبية الحيوية: طباعة أدلة جراحية مخصصة للمريض، وأطراف اصطناعية غير مزروعة، أو مكونات معدات المستشفيات تقاوم الاستيطان الميكروبي.
• التعبئة والتغليف والتعامل مع الأغذية: إنشاء حاويات وأدوات وقبضات مخصصة قابلة للتحلل الحيوي ومضادة للميكروبات لآلات معالجة الأغذية.
• السلع الاستهلاكية: ألعاب، وأدوات مطبخ، أو مقابض أدوات العناية الشخصية حيث تضيف الخصائص المضادة للميكروبات قيمة.
• اتجاهات البحث المستقبلية:
  1. تحسين معالجة سطح الجسيمات لتعزيز الالتصاق السطحي وتحسين المتانة.
  2. التحقيق في الاستقرار طويل المدى وملف تسرب المركبات المضادة للميكروبات.
  3. استكشاف التآزر بين AHL وحشوات وظيفية أخرى (مثل بلورات النانو-سليلوز للقوة، جسيمات النحاس لتعزيز التأثير القاتل للميكروبات).
  4. تطوير استراتيجيات طباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد حيث تحتوي الطبقة السطحية فقط على مركب AHL لكفاءة التكلفة والأداء.
  5. إجراء تقييم دورة حياة كاملة (LCA) لقياس الفوائد البيئية مقارنة بالبلاستيك المضاد للميكروبات التقليدي.

6. المراجع

1. Gibson, I., Rosen, D., & Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
2. Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q., & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 143, 172-196.
3. Farah, S., Anderson, D. G., & Langer, R. (2016). Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications — A comprehensive review. Advanced Drug Delivery Reviews, 107, 367-392.
4. Mazzanti, V., Malagutti, L., & Mollica, F. (2019). FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: A review of their mechanical properties. Polymers, 11(7), 1094.
5. Ahmed, W., Alnajjar, F., Zaneldin, E., Al-Marzouqi, A. H., Gochoo, M., & Khalid, S. (2020). Implementing FDM 3D printing strategies using natural fibers to produce biomass composite. Materials, 13(18), 4065.
6. U.S. Department of Agriculture. (2023). Peanut Stocks and Processing. National Agricultural Statistics Service. [مثال لمصدر خارجي]
7. ASTM International. (2022). ASTM D638-22: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.