Stebuklingas celiuliozės pagrindu pagamintas aerogelis, atspausdintas 3D būdu

Iš pirmo žvilgsnio biologiškai skaidžios medžiagos, 3D spausdinimo rašalai ir airgel jie neturi daug bendro.

Tačiau vertinant kartu, jos gali turėti didžiulį potencialą ateičiai: skaidančios medžiagos yra alternatyva teršiančioms. 3D spausdinimas pašalina atliekas gaminant sudėtingas formas ir itin lengvus aerogelius puikūs šilumos izoliatoriai.

EMPA mokslininkams pavyko sujungti visas šias charakteristikas vienoje medžiagoje, a celiuliozės pagrindu pagamintas aerogelis kurią galima spausdinti 3D formatu ir kuri turi nepaprastų savybių.

Oro elementas: lengvų statybinių medžiagų 3D spausdinimas iš atliekų
Pirmoji pasaulyje valgoma įkraunama baterija

Celiuliozės aerogelis, spausdinantis 3D formatu: EMPA tyrimas

Stebuklinga medžiaga, kurią sudaro 88 procentai vandens, buvo sukurta vadovaujant Deeptanshu Sivaraman, Wimas Malfaitas e Shanyu Zhao EMPA pastatų energijos medžiagų ir komponentų laboratorija, bendradarbiaujant su Cellulose & Wood Materials ir Advanced Analytical Technologies laboratorijomis bei Rentgeno analizės centru.

Zhao ir Malfait kartu su kitais tyrinėtojais anksčiau dirbo aerogelio spauda silicio dioksido 2020 m., sukurdami pirmąjį metodą, kaip juos suformuoti į sudėtingas formas. “Kitas logiškas žingsnis buvo pritaikyti mūsų spausdinimo technologiją mechaniškai tvirtesniems biologiniams aerogeliams“, – aiškina pirmasis.

Pradine medžiaga mokslininkai pasirinko celiuliozės, biopolimeras labiausiai paplitusi Žemėje. Celiuliozės aerogeliai, skaitome tyrime, paskelbtame "Pažangus mokslas“"sulaukė didelio dėmesio dėl didelio paviršiaus ploto ir gali efektyviai adsorbuotis teršalų, alyvų ir kitų teršalų“. Jie taip pat gali atlaikyti dideles deformacijas nesulaužydami, todėl yra naudingi tokioms reikmėms kaip lengvi kompozitai ir pastoliai.audinių inžinerija.

"Tačiau lengvas aerogelių pobūdis celiuliozė paprastai yra mechaniškai silpna, o tai yra iššūkis įprastiems sudėtingų formų ir geometrijų kūrimo būdams.“: problema, kurią mokslininkai išsprendė 3D spausdinimas.

Naujos peršviečiamos laikančiosios sienos, skirtos sumažinti išlaidas apšvietimui
Sūrio baltymų dėka elektroninės atliekos „tampa“ auksu

Kaip trimatį rašalą paversti aerogeliu

Pradėti nuo celiuliozės, sudėtingas angliavandenis, suteikiantis standumo ir atsparumo augalų ląstelių sienelėms, įvairias nanodaleles galima gauti atliekant paprastus apdorojimo veiksmus. Absolventas Deeptanshu Sivaramanas panaudojo du iš jų, kad pagamintų „rašalą“ bioaerogeliui spausdinti: celiuliozės nanokristalai e celiuliozės nanopluoštai.

Į 3D spausdinimas, rašalo sklandumas yra esminis dalykas: medžiaga turi būti pakankamai klampi, kad išliktų savo vietoje kietėjimo metu, bet turi sugebėti suskystėti veikiant slėgiui, kad prasiskverbtų pro spausdintuvo antgalį.

Sivaramanui pavyko žygdarbis dėka nanokristalų ir nanopluoštų derinys celiuliozės: ilgieji pluoštai suteikia klampumą, o kristalai užtikrina šlyties retinimo efektą (todėl didėjant šlyties įtempiui mažėja skysčio atsparumas).

EMPA pagaminto rašalo yra maždaug 12 procentų celiuliozės. Likusius 88 procentus sudaro vanduo. “Mums pavyko išgauti reikiamas savybes vien naudojant celiuliozę, be priedų ar užpildų“, – aiškina Sivaraman. Geros naujienos ne tik galutinių produktų, bet ir jų biologiniam skaidumui šilumą izoliuojančios savybės.

Po spausdinimo rašalas paverčiamas aerogeliu: tyrėjai pirmiausia pakeičia tirpiklį (vandenį).etanolis o paskui su oru, išlaikant formos ištikimybę. “Kuo mažiau kietųjų medžiagų yra rašalu, tuo poringesnis susidaro aerogelis“, – aiškina Zhao.

Nauji elektronikos sujungimo būdai dėl nanoefektų
Didesni pastatai Šveicarijoje statomi su aerogeliu

Galimos spausdinamo bioairgelio panaudojimo galimybės

Dėl didelio poringumo ir mažo porų dydžio visi aerogeliai yra itin veiksmingi šilumos izoliatoriai. L'celiuliozės aerogelis išspausdintas EMPA, tačiau turi ir kitą savybę: tai yra anizotropinisty jo charakteristikos priklauso nuo krypties, kuria jis yra orientuotas. “Anizotropija iš dalies atsiranda dėl nanoceliuliozės pluoštų orientacijos ir iš dalies dėl paties spausdinimo proceso“, – aiškina Malfait.

Ši funkcija leidžia tyrėjams nuspręsti, kurioje ašyje turi būti aerogelio gabalas stabilesnis arba ypač izoliuojantis: komponentas, turintis šias savybes, gali būti pritaikytas mikroelektronika, kur šilumą reikia nuvesti tik tam tikra kryptimi.

Pradinis tyrimo projektas, finansuojamas iš Šveicarijos nacionalinis mokslinių tyrimų fondas (FNS), daugiausia buvo skirta šilumos izoliacijos studijoms, tačiau mokslininkai greitai pamatė naujas naujo spausdinamo bioaerogelio galimybes, pradedant medicina.

Ši medžiaga yra pagaminta iš grynos celiuliozės biologiškai suderinamas su gyvais audiniais ir ląstelėmis. Dėl porėtos struktūros jis gali absorbuoti vaistus ir palaipsniui išleisti juos į kūną, o 3D spausdinimas suteikia galimybę sukurti sudėtingas formas, kurios galėtų būti naudojamos kaip pastoliai ląstelių augimui arba kaip implantai.

Tvarstis vaistą pateks tik į užkrėstas žaizdas
Išmanūs čiužiniai ir jutikliai, skirti apsaugoti jautriausią odą

Tyrimai tęsiasi: medicinos prietaisai ir kiti biopolimerai

Dar viena daug žadanti naujojo aerogelio savybė yra ta galima drėkinti ir džiovinti kelis kartus neprarasdamas formos ar porėtos struktūros. Dėl šios savybės medžiaga būtų labai lengvai valdoma: išdžiūvusi ji ne tik lengva ir patogi, bet ir mažiau jautrūs bakterijoms ir neturi būti kruopščiai apsaugotas nuo išdžiūvimo. Be to, jis gali būti laikomas ir transportuojamas sausas ir panardintas į vandenį tik prieš naudojimą.

"Jeigu nori pridėti veikliųjų medžiagų į aerogelį, galite tai padaryti paskutinėje rehidratacijos stadijoje, prieš pat naudojimą“, - aiškina Sivaraman. “Tokiu būdu nėra pavojaus, kad laikui bėgant ar dėl netinkamų laikymo būdų vaistas praras savo veiksmingumą.".

Tyrėjai daugiausia dėmesio skiria vaistų skyrimas iš aerogelių kaip kito projekto dalis, mažiau orientuota į 3D spausdinimą.

Tuo tarpu Shanyu Zhao bendradarbiauja su Vokietijos ir Ispanijos mokslininkais kurdamas aerogelius, pagamintus iš kiti biopolimerai, pavyzdžiui, alginatas ir chitozano, gaunamas atitinkamai iš dumblių ir chitino, o Wim Malfait stengiasi pagerinti celiuliozės aerogelių šilumos izoliaciją. Deeptanshu Sivaramanas, baigęs daktaro laipsnį, prisijungė prie EMPA atskyrimo Siloxene AG, kuri sukuria naują hibridinės molekulės silicio pagrindu.

Gino Gerosa: „Pritaikytos dirbtinės širdies prototipas per dvejus metus“
Rolandas Kühnelis: „Yra septynios mirtinos dabartinės statybos nuodėmės“