近年来，随着航空航天、生物医疗及工业制造等领域的快速发展，增材制造（3D打印）技术已成为核心先进制造手段之一。然而，当前主流的增材制造材料，如石油基树脂，普遍存在稳定性差、形状恢复能力有限以及力学性能不足等问题，这不仅限制了其应用范围，也对可持续制造的发展构成了挑战。这些材料往往在具备高刚度的同时，韧性不足，导致打印部件在承受载荷时易发生不可逆的变形甚至损坏，造成大量废弃物，给环境带来了巨大压力。因此，开发一种既能保证高强度的刚性结构需求，又具备形状记忆（柔性）性能和快速恢复能力的高性能材料，已成为该领域亟待解决的关键科学问题。

受植物细胞壁中纤维素微纤丝在应力作用下可发生可控滑移以耗散能量的机制启发，东北林业大学肖少良教授研究团队成功开发出一种新型纤维素基光聚合树脂。该材料不仅具有优异的刚柔并济特性，其压缩强度高达115.42 MPa，刚度达到1404.16 MPa，还展现出卓越的时空形状记忆能力。这一创新成果为制造高性能防护部件、能量吸收系统及智能记忆材料开辟了新路径，相关论文以“Additive manufacturing of cellulose-based photopolymerizable resin with high strength and shape-memory”为题，发表在Nature Communications上。

图1：兼具高机械强度与时空记忆特性的纤维素基光敏树脂的设计与增材制造。 在无序且疏松的区域，纤维素微纤维发生有限滑移并耗散外部应力。在有序且高结晶度的区域，它们提供机械强度和结构刚性。

为了验证这种名为CPPR的纤维素基光敏树脂的实际性能，研究团队通过数字光处理打印技术，制造了一系列三维机械支撑结构。在图2a中，研究人员对这些结构进行了极限单轴压缩测试。当样品被压缩至75%应变后卸载，令人惊奇的是，它在4-5分钟内便迅速恢复了原有的结构和形态，展现了完美的形状记忆回复功能。为了模拟更复杂的真实应力场景，如图2b所示，团队甚至将打印结构放置在大型车辆的轮胎路径下进行碾压。结果显示，即使在多向、不规则的应力作用下，该结构在承受碾压后依然能快速恢复其形态和结构完整性，证明了其强大的环境适应能力。研究指出，这种出色的机械强度和记忆能力主要归功于四个因素：固化分子结构中纤维素链的有限滑移、外部应力下松散分子间氢键的动态断裂与重组、C=C键反应形成的刚性碳链骨架，以及微相分离结构之间的多尺度协同效应。这些机制的共同作用，使得CPPR材料在承受75%的极限应变后仍能完全恢复（图2d），并且在20%至50%不同应变幅度的循环压缩测试中表现出稳定的能量耗散和抗疲劳特性（图2e， 2f）。

图2：CPPR-P的时空记忆特性与机械压缩性能。 (a) 打印结构的极限单轴压缩-恢复测试； (b) 在公交车载荷下的多向压缩-恢复测试； (c) 结构组成及时空记忆机理； (d) 机械压缩测试的应力-应变曲线； (e) 循环压缩测试的应力-应变曲线； (f) 循环压缩测试过程中的能量耗散趋势。

除了优异的压缩性能，CPPR材料在拉伸性能上也同样出色。如图3所示，研究团队对CPPR、纯HEMA基树脂以及未经环氧化改性的CPPR进行了系统的拉伸测试。图3b的循环拉伸测试表明，CPPR样品在多次拉伸循环中主要由弹性变形主导，几乎没有结构损伤，展现出低损伤行为和良好的能量吸收与形状恢复能力。相比之下，未经改性的NE-CPPR在第一次循环后就进入塑性屈曲阶段，发生永久性损伤。图3c和3d的数据进一步量化了这一优势：CPPR的拉伸强度达到25.16 MPa，弹性模量高达1404.16 MPa，虽然在极限拉伸强度上略低于高刚性但脆性大的HEMA-PR（27.71 MPa），但CPPR独有的可重复恢复能力使其在功能性增材制造应用中更具价值。此外，图3f的模拟结果与实验数据高度吻合，验证了CPPR分子结构设计的合理性。图3g和3h则展示了CPPR在DLP打印条件下，通过光引发自由基聚合反应形成稳定交联网络的过程，这为实现其优异的宏观性能提供了分子层面的解释。

图3：固化后CPPR的机械拉伸性能、固化过程与计算模拟。 (a) 拉伸测试装置示意图； (b) 循环拉伸测试的应力-应变曲线； (c) 循环拉伸测试中的最大应力演变； (d) 拉伸测试的应力-应变曲线； (e) 不同材料的弹性模量对比，误差棒代表平均值±标准差 (n = 5个独立的实验样本)； (f) 固化后CPPR的模拟拉伸强度与应变结果，误差棒代表平均值±标准差 (n = 5个独立的实验样本)，模拟值为单个确定性输出； (g) CPPR光引发自由基聚合机理； (h) CPPR光致自由基聚合反应的模拟过程。

剪切性能和流变行为是评估增材制造材料加工性和结构可靠性的关键指标。如图4所示，CPPR材料同样表现优异。图4b的应力-应变曲线显示，CPPR在达到屈服点后（约7%应变）出现了一个明显的屈服平台（7-10%应变），这表明纤维素介导的分子链滑移（微观塑性流动）正在发生，从而使应力得以持续耗散和释放。而HEMA-PR在屈服后立即进入塑性变形阶段（脆性破坏）。图4c的数据对比显示，CPPR的剪切强度达到25.83 MPa，远高于NE-CPPR的2.47 MPa。在流变性能方面，图4d显示，CPPR的储能模量（G'）和损耗模量（G''）在很宽的剪切应变范围内保持高位，且两者的交点出现在较高的应变处，这证实了其拥有宽广的弹性变形范围和优异的刚度与稳定性。

图4：CPPR-P的剪切与流变测试。 (a) 通过增材制造生产的CPPR-P样品的剪切测试； (b) 剪切性能测试的应力-应变曲线； (c) 不同材料的剪切强度对比，误差棒代表平均值±标准差 (n = 5个独立样本)； (d) CPPR-P圆柱样品的流变测试。

为了全面评估CPPR材料的工业应用潜力，研究团队将其性能与UV固化环氧树脂、聚酰胺尼龙和热塑性聚氨酯弹性体等主流材料进行了对比。图5a和补充视频直观地展示了形状记忆恢复能力的差异：CPPR打印的结构在受压后能迅速恢复，而UVEP在受压瞬间即发生脆性断裂，PA则发生永久性变形，TPU甚至无法通过增材制造制备所需的测试结构。在压缩强度对比中（图5b），CPPR以115.42 MPa的强度远超其他材料。图5c和5d的循环压缩测试进一步确认，CPPR是唯一能在室温下保持稳定循环弹性的材料，其能量耗散迅速达到稳定平台，而其他材料要么无恢复能力，要么出现应变软化。此外，通过动态热机械分析、差示扫描量热法和热重分析（图5e， 5f, 5g），团队证实CPPR在100°C以下具有优异的机械能储存和弹性性能，其玻璃化转变温度约为90°C，初始分解温度高于250°C，展现出卓越的热稳定性。扫描电镜和X射线衍射分析也证实了CPPR打印样品具有均匀致密且稳定的微观结构。

图5：CPPR树脂在增材制造固化前后的特性与性能，及其他主流材料的对比。 (a) 三维机械支撑结构（CPPR, UVEP, PA, 和 TPU）的形状记忆恢复对比评估； (b) 压缩强度测试的应力-应变曲线； (c) 循环压缩测试的应力-应变曲线； (d) 循环压缩过程中的能量耗散演变； (e) 动态热机械分析结果； (f) 差示扫描量热法结果； (g) 微分热重分析结果。

总而言之，这项研究成功地开发出一种名为CPPR的DLP打印树脂，其设计理念巧妙模仿了植物细胞壁中纤维素微纤丝的应力耗散机制。通过精确调控纤维素的分子接枝、改性步骤和DLP打印条件，该材料不仅具备了传统光聚合物难以企及的刚柔并济特性，即在保持高强度（115.42 MPa压缩强度， 25.16 MPa拉伸强度）的同时，还拥有接近95%的形状回复率，并在单轴和多轴等复杂应力条件下表现出卓越的稳定性。这项工作的意义在于，它为增材制造领域提供了一种实现优异机械强度和快速形状记忆回复的新方法，为制造具有最佳刚柔平衡的精密复杂结构铺平了道路。未来，这种高性能的生物基光敏树脂有望在航空航天、国防工业、生物医疗以及需要能量吸收和振动衰减的领域发挥重要作用，推动可持续高性能制造技术的发展。