综述：用于固相萃取和污染物去除应用的3D和4D打印聚合物

　　本综述系统探讨了3D/4D打印聚合物在固相萃取（SPE）及污染物去除领域的前沿进展，重点分析了其可定制几何结构、智能响应特性（如温度/pH触发形变）及多种打印技术（包括FDM、SLA、DLP和DIW）的应用潜力，为开发高性能环境修复材料提供了创新方向。

　　

3D打印技术

自1984年Charles Hull专利化立体光刻（SLA）技术以来，3D打印已成为聚合物制造的重要工具。该技术通过计算机辅助设计（CAD）模型分层处理，逐层堆积材料形成三维结构。熔融沉积建模（FDM）使用热塑性聚合物丝材，通过加热挤出实现打印；立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）依靠光敏树脂的光聚合反应；直接墨水书写（DIW）则通过挤出剪切稀化的油墨或凝胶实现高精度成型。这些技术为制备复杂结构的固相萃取吸附剂提供了多种路径。

3D/4D打印聚合物的制备与设计

设计用于SPE或污染物去除的打印聚合物需综合考虑材料选择、功能化改性和结构优化。常用基材包括聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG），但其固有吸附性能有限，需通过掺入纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）或表面修饰（如胺基、羧基嫁接）增强选择性。4D打印进一步引入刺激响应材料（如形状记忆聚合物、水凝胶），使结构能动态响应温度、pH或湿度变化，实现自清洁或可控释放功能。多材料打印技术可整合导电组分与吸附相，构建多功能一体化器件。

3D/4D打印聚合物的特性优势

宏观多孔结构与可定制几何形态是此类材料的核心优势。三维骨架设计（如晶格框架、单块支架）显著提升比表面积和传质效率，减少扩散限制，从而改善吸附动力学。4D打印材料在刺激下发生孔径或形状变化，可逆调节吸附-脱附过程，提高材料复用率。例如，pH响应型聚合物能通过溶胀-收缩行为高效捕获重金属离子（如Pb²⁺、Cd²⁺），而温度敏感水凝胶适用于有机污染物（如农药、药物残留）的控释回收。

技术进展与应用前景

近期研究聚焦于表面电荷调控、多层组装和智能响应系统集成。3D打印摩擦纳米发电机（TENGs）结合吸附功能，可实现自供电传感与污染物监测一体化；相变人工肌肉结构通过碳纤维-乙醇注入体系，在电刺激下实现刚度切换与振动控制，拓展至环境机器人领域。在SPE应用中，打印吸附剂已成功用于水样、生物样本和食品基质中痕量污染物（如抗生素、杀虫剂）的富集检测，回收率较传统材料提升30%以上。

环境可持续性挑战

尽管3D/4D打印减少材料浪费且支持定制化生产，但聚合物原料的环境影响仍需关注。石油基树脂（如ABS）的生物降解性差，而PLA等生物塑料的机械稳定性不足。纳米添加剂（如MOFs、碳纳米管）的浸出风险与生命周期管理亟待研究。未来需开发可回收打印系统、绿色单体配方及标准化生态评估协议。

未来方向

当前瓶颈包括材料库有限、多材料界面稳定性不足、刺激响应速率滞后等。跨学科合作需整合机器学习优化打印参数、开发新型智能材料（如双响应水凝胶）、构建闭环回收体系。规模化生产需降低成本并建立性能认证标准，以推动从实验室原型向实际环境应用的转化。

结论

3D/4D打印聚合物通过结构设计自由度和动态响应能力，为SPE与污染治理提供了革命性解决方案。其高性能吸附、可编程功能及环境适配性显著优于传统材料，但材料可持续性与规模化应用仍是未来攻关重点。