Biologisk nedbrydelig aerogel:Luftig cellulose fra en 3D-printer

Mere end 80 % vand

Blækkets flowegenskaber er afgørende ved 3D-print:Det skal være tyktflydende nok til at holde en tredimensionel form før størkning. Samtidig skal det dog blive flydende under tryk, så det kan strømme gennem dysen. Med kombinationen af ​​nanokrystaller og nanofibre lykkedes det for Sivaraman at gøre netop det:De lange nanofibre giver blækket en høj viskositet, mens de ret korte krystaller sørger for, at det har forskydningsfortyndende effekt, så det flyder lettere under ekstrudering.

I alt indeholder blækket omkring 12 % cellulose – og 88 % vand. "Vi var i stand til at opnå de nødvendige egenskaber med cellulose alene, uden nogen tilsætningsstoffer eller fyldstoffer," siger Sivaraman. Dette er ikke kun gode nyheder for de endelige aerogelprodukters biologiske nedbrydelighed, men også for dets varmeisolerende egenskaber. For at forvandle blækket til en aerogel efter udskrivning, erstatter forskerne poreopløsningsvandet først med ethanol og derefter med luft, alt imens de bevarer formen. "Jo mindre fast stof blækket indeholder, jo mere porøst bliver den resulterende aerogel," forklarer Zhao.

Denne høje porøsitet og den lille størrelse af porerne gør alle aerogeler ekstremt effektive varmeisolatorer. Forskerne har dog identificeret en unik egenskab i den trykte celluloseaerogel:Den er anisotropisk. Det betyder, at dens styrke og varmeledningsevne er retningsafhængige.

"Anisotropien skyldes dels orienteringen af ​​nanocellulosefibrene og dels selve printprocessen," siger Malfait. Dette giver forskerne mulighed for at kontrollere, i hvilken akse det trykte aerogel-stykke skal være særligt stabilt eller særligt isolerende. Sådanne præcist fremstillede isoleringskomponenter kunne bruges i mikroelektronik, hvor varme kun bør ledes i en bestemt retning.

Mange potentielle anvendelser inden for medicin

Selvom det oprindelige forskningsprojekt primært var interesseret i termisk isolering, så forskerne hurtigt et andet anvendelsesområde for deres printbare bio-aerogel:medicin. Da den består af ren cellulose, er den nye aerogel biokompatibel med levende væv og celler.

Dens porøse struktur er i stand til at absorbere stoffer og derefter frigive dem i kroppen over en længere periode. Og 3D-print giver mulighed for at producere præcise former, der for eksempel kan tjene som stilladser til cellevækst eller som implantater.

En særlig fordel er, at den trykte aerogel kan rehydreres og gentørres flere gange efter den indledende tørreproces uden at miste sin form eller porøse struktur. I praktiske applikationer ville dette gøre materialet lettere at håndtere:Det kunne opbevares og transporteres i tør form og kun lægges i blød i vand kort før brug.

Når det er tørt, er det ikke kun let og bekvemt at håndtere, men også mindre modtageligt for bakterier - og behøver ikke at være omhyggeligt beskyttet mod udtørring. "Hvis du ønsker at tilføje aktive ingredienser til aerogelen, kan dette gøres i det sidste rehydreringstrin umiddelbart før brug," siger Sivaraman. "Så risikerer du ikke, at medicinen med tiden mister sin effektivitet, eller at den opbevares forkert."

Forskerne arbejder også på lægemiddellevering fra aerogeler i et opfølgningsprojekt - med mindre fokus på 3D-print for nu. Shanyu Zhao samarbejder med forskere fra Tyskland og Spanien om aerogeler fremstillet af andre biopolymerer, såsom alginat og chitosan, afledt af henholdsvis alger og kitin.

I mellemtiden ønsker Wim Malfait at forbedre den termiske isolering af celluloseaerogel yderligere. Og Deeptanshu Sivaraman har afsluttet sin doktorgrad og har siden tilsluttet sig Empa-spin-offen Siloxene AG, som skaber nye hybridmolekyler baseret på silicium.

Flere oplysninger: Deeptanshu Sivaraman et al., Additiv fremstilling af nanocellulose-aerogeler med strukturorienterede termiske, mekaniske og biologiske egenskaber, Avanceret videnskab (2024). DOI:10.1002/advs.202307921

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology