Vid en första anblick verkar biologiskt nedbrytbara material, bläck för 3D-utskrift och aerogeler inte ha mycket gemensamt. Alla tre har stor potential för framtiden; Men "gröna" material förorenar inte miljön, 3D-utskrift kan producera komplexa strukturer utan avfall, och ultralätta aerogeler är utmärkta värmeisolatorer.
Empa-forskare har nu lyckats kombinera alla dessa fördelar i ett enda material. Och deras cellulosabaserade, 3D-utskrivbara aerogel kan göra ännu mer. Studien publiceras i Advanced Science .
Materialet skapades under ledning av Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait och Shanyu Zhao från Empas Building Energy Materials and Components-laboratorium, i samarbete med laboratorierna Cellulose &Wood Materials och Advanced Analytical Technologies samt Center for X-ray Analytics.
Tillsammans med andra forskare hade Zhao och Malfait redan utvecklat en process för att skriva ut kiseldioxidaerogeler 2020. Detta var ingen trivial uppgift:kiseldioxidaerogeler är skumliknande material, mycket öppna porösa och spröda. Innan Empa-utvecklingen hade det varit ganska omöjligt att forma dem till komplexa former. "Det var det logiska nästa steget att tillämpa vår tryckteknik på mekaniskt mer robusta biobaserade aerogeler", säger Zhao.
Forskarna valde den vanligaste biopolymeren på jorden som utgångsmaterial:cellulosa. Olika nanopartiklar kan erhållas från detta växtbaserade material med enkla bearbetningssteg. Doktoranden Sivaraman använde två typer av sådana nanopartiklar – cellulosa nanokristaller och cellulosa nanofibrer – för att producera "bläcket" för att trycka bio-aerogelen.
Mer än 80 % vatten
Bläckets flödesegenskaper är avgörande vid 3D-utskrift:Det måste vara tillräckligt viskös för att hålla en tredimensionell form innan stelning. Samtidigt bör det dock smälta under tryck så att det kan rinna genom munstycket. Med kombinationen av nanokristaller och nanofibrer lyckades Sivaraman göra just det:De långa nanofibrerna ger bläcket en hög viskositet, medan de ganska korta kristallerna ser till att det har skjuvförtunning så att det flyter lättare under extrudering.
Totalt innehåller bläcket cirka 12 % cellulosa och 88 % vatten. "Vi kunde uppnå de egenskaper som krävs med enbart cellulosa, utan några tillsatser eller fyllmedel", säger Sivaraman. Detta är inte bara goda nyheter för de slutliga aerogelprodukternas biologiska nedbrytbarhet, utan också för dess värmeisolerande egenskaper. För att förvandla bläcket till en aerogel efter tryckning, ersätter forskarna porlösningsvattnet först med etanol och sedan med luft, allt med bibehållen formtrohet. "Ju mindre fast material bläcket innehåller, desto porösare blir den resulterande aerogelen", förklarar Zhao.
Denna höga porositet och den lilla storleken på porerna gör alla aerogeler extremt effektiva värmeisolatorer. Forskarna har dock identifierat en unik egenskap hos den tryckta cellulosaaerogelen:den är anisotropisk. Detta innebär att dess styrka och värmeledningsförmåga är riktningsberoende.
"Anisotropin beror dels på orienteringen av nanocellulosafibrerna och dels på själva tryckprocessen", säger Malfait. Detta gör att forskarna kan styra i vilken axel det tryckta aerogelstycket ska vara särskilt stabilt eller särskilt isolerande. Sådana exakt tillverkade isoleringskomponenter skulle kunna användas i mikroelektronik, där värme endast bör ledas i en viss riktning.
Även om det ursprungliga forskningsprojektet främst var intresserad av värmeisolering, såg forskarna snabbt ett annat användningsområde för deras utskrivbara bioaerogel:medicin. Eftersom den består av ren cellulosa är den nya aerogelen biokompatibel med levande vävnader och celler.
Dess porösa struktur kan absorbera droger och sedan släppa ut dem i kroppen under en lång tidsperiod. Och 3D-utskrift erbjuder möjligheten att producera exakta former som till exempel kan fungera som ställningar för celltillväxt eller som implantat.
En speciell fördel är att den tryckta aerogelen kan rehydreras och återtorkas flera gånger efter den inledande torkningsprocessen utan att förlora sin form eller porösa struktur. I praktiska tillämpningar skulle detta göra materialet lättare att hantera:Det kunde förvaras och transporteras i torr form och bara blötläggas i vatten strax före användning.
När den är torr är den inte bara lätt och bekväm att hantera, utan också mindre mottaglig för bakterier – och behöver inte skyddas från uttorkning. "Om du vill lägga till aktiva ingredienser till aerogelen kan detta göras i det sista rehydreringssteget omedelbart före användning", säger Sivaraman. "Då riskerar du inte att medicinen förlorar sin effektivitet med tiden eller om den förvaras felaktigt."
Forskarna arbetar också med läkemedelsleverans från aerogeler i ett uppföljningsprojekt – med mindre fokus på 3D-utskrift för tillfället. Shanyu Zhao samarbetar med forskare från Tyskland och Spanien om aerogeler gjorda av andra biopolymerer, såsom alginat och kitosan, som härrör från alger respektive kitin.
Samtidigt vill Wim Malfait ytterligare förbättra värmeisoleringen av cellulosaaerogeler. Och Deeptanshu Sivaraman har disputerat och har sedan dess gått med i Empas spin-off Siloxene AG, som skapar nya hybridmolekyler baserade på kisel.
Mer information: Deeptanshu Sivaraman et al, Additive Manufacturing of Nanocellulosa Aerogels with Structure-Oriented Thermal, Mechanical and Biological Properties, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202307921
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
