Nästan lika lätt som luft, dessa helt naturliga cellulosaaerogeler kan tillverkas på ett hållbart sätt, billigt och med alla naturmaterial. De är biointeraktiva också, så att de kan användas för terapi. Kredit:Andrew Marais
En ny billig och hållbar teknik skulle öka möjligheterna för sjukhus och kliniker att leverera terapi med aerogeler, ett skumliknande material som nu finns i sådana högteknologiska tillämpningar som isolering för rymddräkter och plåster som andas.
Med hjälp av en vanlig köksfrys, denna nyaste form av aerogel gjordes av alla naturliga ingredienser, inklusive växtcellulosa och alger, säger Jowan Rostami, forskare i fiberteknik vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm.
Rostami säger att aerogelens låga densitet och gynnsamma ytarea gör den idealisk för en mängd olika användningsområden, inklusive tidsbestämd frisättning av medicin och sårförband.
Framsteg rapporterades i den vetenskapliga tidskriften, Material idag , av forskare från Institutionen för fiber- och polymerteknologi vid KTH, Institutionen för teknisk mekanik vid KTH, Wallenberg Wood Science Center på KTH, och avdelningen för hållfasthetslära vid Lunds universitet.
Aerogelens densitet kunde pressas ner till så låga nivåer som 2 kg per kubikmeter, som hennes forskargrupp anser är bland de lägsta registrerade densiteterna för liknande material, hon säger.
"För att ge dig en uppfattning om hur lätt det är - luftens densitet är 1,23 kg per kubikmeter."
För att visa att materialet kan användas för kontrollerad leverans av terapeutika., forskarna fäste proteiner till aerogelen genom en vattenbaserad självmonteringsprocess.
"Aerogelen är designad för biointeraktivitet, så det kan till exempel användas för att behandla sår eller andra medicinska problem, säger Rostami.
Med en luftvolym på upp till nästan 99,9 procent, aerogeler är superlätta men ändå hållbara (KTH aerogel består av nästan 99 procent luft). De har använts i ett brett utbud av produkter sedan mitten av 1900-talet, från hudvård till färg, och många material för byggnadskonstruktion.
Tekniska framsteg har möjliggjort aerogeler från växtceller – eller cellulosananofibriller – vilket har skapat intresse för miljötillämpningar som vattenrening och hemisolering. Den grundläggande processen för nanocellulosabaserade aerogeler innebär att nanofibriller dispergeras i vatten, och torka sedan ut blandningen.
Men stegen på vägen är energikrävande och tidskrävande, delvis för att de kräver frystorkning eller kritisk punkttorkning med CO 2 gas.
"Vi använder ett hållbart tillvägagångssätt istället, " säger Rostami. "Det är enkelt men ändå sofistikerat."
Fibrillerna blandas i vatten med alginat – en naturligt förekommande polymer i tång – och sedan tillsätts kalciumkarbonat. I frysen, vattnet förvandlas till is och pressar samman dessa komponenter, framställning av en frusen hydrogel.
Den frusna hydrogelen tas ur frysen och placeras i aceton, som inte bara tar bort vatten och avdunstar snabbt, men genom att tillsätta lite syra till acetonet, det löser upp kalciumkarbonatpartiklarna och frigör CO 2 — genererar bubblorna som kan göra materialet mer poröst.
Upplösningen av kalciumkarbonat möjliggör ytterligare en fördel:det frigör kalciumjoner som tvärbinder med alginat och CNF, ger aerogelen våtstabilitet och dess förmåga att återhämta sin form efter att ha blivit genomträngd med vätska.
Rostami säger att denna kvalitet ytterligare bidrar till aerogelens användbarhet i fler applikationer, "utan att använda kostsamma, tid och energikrävande processer, giftiga kemikalier eller komplicerad kemi."
