2020-12-21 19:39:15聖天使

研究揭示:3D打印顆粒污染對人體具有潛在毒性



[文/學術頭條,編審:王新凱]

3D 打印是快速成型技術的一種,又被稱為增材製造,是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

自 20 世紀 90 年代中期出現以來,3D 打印一直是工程領域的熱門研究方向。因為相較於傳統加工,3D 打印可以製作複雜的形狀,並且使單獨製造零件的成本更低,這兩個優點使 3D 打印在某些情況下是不可替代的。




圖 | 3D 打印製作零件(來源:Scitechdaily)

但是,在 2020 年 12 月 13-17 日舉行的 2020 年風險分析協會(Society for Risk Analysis)虛擬年度會議上,幾項新的研究發現,3D 打印會釋放出危害人類健康的有毒顆粒,並且這種顆粒對兒童的毒性更強。

危及健康的材料顆粒

3D 打印通過熔化塑料細絲或其它基礎材料來工作,這些材料包括納米粒子、金屬、熱塑性塑料等。然而當塑料或其它基礎材料被加熱熔化時,它們會將揮發性化合物釋放到打印機和物體附近的空氣中。




圖 | 3D 打印過程(來源:Frptitan)

在打印過程中釋放到環境中的化學產物和顆粒會隨着打印時間的增加而逐漸積累。因為這些存在環境中的顆粒足夠小,所以它們可以滲透到肺部,從而損害人類健康。

鑑於這些未知的風險,科學家們已經開始進行研究,了解這些釋放物及其在室內環境中的具體成分、顆粒大小和停留時間,從而產生可納入可靠的暴露和風險評估的數據。


在風險分析協會虛擬年度會議期間舉行的 3D 打印和新興材料風險評估研討會上,幾項研究表明,3D 打印過程中釋放的顆粒會影響室內空氣質量和公共健康。同時會議也介紹幾項旨在表徵和量化室內環境中的釋放和成分、粒度和停留時間的研究。


風險分析協會成立於 1980 年,是一個跨學科、學術性的國際協會,它是對所有風險分析感興趣的人提供的一個開放論壇。自 1981 年以來,一直出版《風險分析:國際期刊》,它是該領域領先的學術期刊。




(來源:Society for Risk Analysis)

風險研究人員提出了涉及 3D 打印影響健康和安全的新問題,以及如何減輕 3D 打印用戶和使用這種新興技術生產的產品消費者存在的任何健康風險,尤其是對兒童健康的影響。


眾多研究證實 3D 打印的危害

美國環境保護署(EPA)的兩項研究分析了 3D 打印中細絲擠出機的排放,這些設備用於創建 3D 打印的細絲。然後使用模擬模型查看產生的顆粒數量,以及在不同年齡段的人使用 3D 打印機時這些材料顆粒沉積在人體的哪些部位。


研究發現,細絲擠出機釋放出的小顆粒和蒸汽量與 3D 打印的其他研究中發現的相似。並且模擬模型預測,對於 9 歲及以下的兒童,肺部單位表面積的顆粒質量沉積更高。但是需要更多的研究來確定吸入劑量為多少。

EPA 相關研究的主要作者之一 Peter Byrley 在一份聲明中說:「迄今為止,公眾幾乎沒有意識到 3D 打印機可能產生的危害。這項研究的潛在社會效益是提高公眾對 3D 打印機危害,以及兒童可能更高危害性的認識。」




圖 | 正在工作中的 3D 打印(來源:3D Insider)

由美國國家職業安全與健康研究所 Yong Qian 博士進行的另一項研究表明,通過檢查吸入暴露在 3D 打印過程產生顆粒的人體肺細胞和動物,評估 3D 打印過程中產生的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)排放物的潛在毒性。

這項名為 「ABS 打印機排放引發體外和體內毒性」 的研究結果表明,打印過程中排放的顆粒在人肺細胞中引起中度毒性,在動物中產生的毒性較小。

值得注意的是,儘管今天提出的許多研究仍處於早期階段,但它為證實 3D 打印機具有潛在毒性增加了越來越多的證據。


例如,去年發表的相關研究發現,ABS 和聚乳酸(PLA)顆粒均會對細胞活力產生負面影響,後者會引發更強的毒性反應。

領導這項研究的佐治亞理工學院地球與大氣科學學院教授 Rodney Weber 說:「毒性測試表明,與 ABS 顆粒相比,PLA 顆粒的毒性更大,但因為打印機排放的 ABS 材料顆粒占據主要部分,所以 ABS 排放的細微顆粒才是更令人擔憂的。」

總的來說,這些研究表明,隨着時間的推移,暴露在這些 ABS 細絲顆粒中可能會像城市環境中被車輛或其他排放物污染的空氣一樣有毒。


這項研究還發現,熔化 ABS 細絲所需的溫度越高,產生的顆粒排放量就越大,並且從 3D 打印機排放的 ABS 顆粒的化學特性與 ABS 細絲不同。


Weber 說:「當 ABS 細絲公司生產某種類型的細絲時,他們可能會添加少量的其他化合物來實現某些特性,但他們通常不會透露這些添加劑是什麼。由於這些添加劑似乎會影響 ABS 的排放量,並且添加到 ABS 中添加劑的類型和數量可能會有很大的差異,因此消費者可能會購買某種 ABS 細絲,它產生的排放量可能會遠遠超過不同供應商的排放量。」

所以選擇一種更加環保的材料,也尤為重要。




圖 | 工作人員正在查看打印完成的試樣(來源:GETTY)

杜克大學 Joana Marie Sipe 進行的另一項研究發現,3D 打印可能不僅對人體有害,而且由打印機製造的塑料製成的副產品也可能對環境造成破壞。

在這項研究中,Sipe 開發了一種機器,可以測量塑料產品(例如水壺)在使用過程中以及在環境中通過摩擦和打磨可以分解的程度。然後將塑料顆粒餵給魚類,觀察塑料中的納米顆粒對它們器官的影響。


她發現,當塑料分解時,摻入的納米材料會暴露於環境中。研究人員能夠預測被魚吃掉時從塑料中逸出的納米顆粒的百分比,從而提供了一種矩陣釋放因子(MRF),可以用來找出當有人咀嚼產品或產品在海洋中分解時釋放出的塑料和納米粒子的數量。

Sipe 說:「這項研究有助於根據特定消費產品的 MRF 值,設定納米材料填充劑的添加量,這些數據可以幫助確定有多少塑料或納米填充產品向環境或人體釋放污染物。」


亟待解決的問題

會議也提出,隨着 3D 打印技術的日益普及,監管機構、製造商和用戶可能需要將注意力集中在更好地管理潛在風險上。

例如,3D 打印機的操作員可以採取一些措施來減輕其對空氣質量的影響,包括:

    僅在通風良好的區域操作 3D 打印機;

    將噴嘴溫度設置為建議的 ABS 細絲材料溫度範圍的下限;

    遠離正在運行中的 3D 打印系統;

    使用經測試和驗證具有低排放量的機器和 ABS 細絲。




(來源:3D Printing PROGRESS)

現如今,3D 打印技術越來越多地用於家庭、學校、圖書館和其他人們通常花費大量時間的場所。

同時在疫情期間,3D 打印廣泛用於製造 COVID-19 的口罩、呼吸器和其他個人防護設備,因此解決這些顆粒的問題有了新的緊迫性。

但是 3D 打印過程釋放顆粒污染的問題,並不是一個容易解決的問題。或許將來在材料、工程機械等多學科的共同發展下,這個難題最終會被攻克,屆時人們才能真正安全地使用 3D 打印技術。---(鈦媒體)

參考資料:

https://www.sra.org/2020/12/18/3d-printers-may-be-toxic-for-humans/