NC State forskare förvandlar träbiprodukter till sensoriska hydrogeler som kan reagera på olika stimuli och, genom avancerade tillverkningsmetoder, görs till hållbara, biologiskt nedbrytbara smarta material som kan användas inom jordbruket, hälsovård och även veterinärmedicin.

"Framtiden är mer hållbar, och nanoteknik, nanomaterial och biomaterial, de är en del av den framtiden, " sa Lokendra Pal, en docent i skogsbiomaterial vid College of Natural Resources.

Hydrogeler är porösa, polymera material som är upp till 90 procent vatten. Eftersom de är vattentunga, de är permeabla på molekylär nivå, vilket innebär att de kan förändras genom kemiska och mekaniska modifieringar för att förändras fysiskt och kemiskt när de möts av vissa stimuli, som temperatur, tryck och fukt. Dessa förändringar kan övervakas av elektriska eller mekaniska givare eller helt enkelt genom syn.

Forskare vid Institutionen för skogsbiomaterial har förvandlat karboximetylcellulosa och cellulosa nanomaterial, som är rikligt tillgängliga från träd och jordbruksrester, till biologiskt nedbrytbara hydrogeler genom att använda avancerad tillverkning. Innovationen är en hållbar lösning på en rad stora problem. Ta, till exempel, mat osäkerhet, som påverkas av skadedjur, växtsjukdomar och klimatförändringar.

"Vi tittar på grönt jordbruk, " Pal sa. "Vissa växter reagerar på olika våglängder av ljus, så att materialet kan användas i växthus eller andra lämpliga platser. Våglängder kan riktas så att plantorna kan växa snabbare. Lantbruk, särskilt i de mest befolkade regionerna i världen, kommer att drabbas av onödiga påfrestningar på växterna till följd av klimatförändringar. Dessa material kan ge en mikromiljö för att hantera det."

Och när världens befolkning åldras, det finns ett ökande behov av assisterad vård, diagnostiska verktyg och sensoriska apparater. Materialet kan även användas i kontaktlinser, möter ögonens friktion, krav på syre och komfort.

"Vi kan justera materialens egenskaper, som syreöverföringshastighet, och de kan anpassas för människors behov och tillverkas på begäran med hjälp av en 3D-skrivare, " sa Pal. "Det finns inget som passar alla."

Hydrogelerna är så anpassningsbara att Pal och hans kollegor undersöker att skapa en liknande lins för djur. När han deltog i National Science Foundations Innovation Corps-program, de insåg att djur som återhämtade sig från ögonskador eller operationer kunde dra nytta av ett sensoriskt bandage av geltyp.

"Människor kan berätta för dig om de har problem med sina ögon, ", sa Pal. "Eftersom dessa hydrogeler har en avkänningsmekanism, en trigger kan få den att ändra färg eller få en annan reaktion. Djur kan inte prata med dig, men med dessa, du kan se vad som händer."

Målet är nu att samarbeta med NC State College of Veterinary Medicine för vidare forskning och testning. Medan den processen pågår, det kan dröja ett år innan teamet kommer med sensoriska hydrogeler för jordbruket till marknaden, studerar växtskydd och ekologiskt jordbruk. Den processen, för, är mycket samarbetsvillig, precis som College of Natural Resources är.

"Om du tittar på vårt college, en av våra största styrkor är våra olika avdelningar, " Pal sa. "Skogsbruk kan genetiskt och bioteknologiskt designa och plantera frön för snabbare växande och sjukdomsfria träd och skogar. Vår avdelning tar dessa och arbetar genom mer grön kemisk bearbetning och avancerad tillverkning för att omvandla dem till olika bioprodukter, biokemikalier och bioenergi. Parker, Rekreations- och turismförvaltning tittar på alla mänskliga aspekter. Tillsammans kan vi börja odla träd genom hållbart skogsbruk och skapa framtida biobaserade material som gynnar samhället såväl som miljön som helhet."