研究人員利用纖維素3D打印功能化可生物降解的氣凝膠

導(dǎo)讀：盡管生物降解材料、3D打印墨水和氣凝膠在表面上看起來(lái)似乎沒(méi)有太多共同點(diǎn)，但它們都具有巨大的潛力。生物降解材料對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)造成環(huán)境污染，而且可以循環(huán)再生利用。3D打印可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而不產(chǎn)生浪費(fèi)，因此，這三種材料在未來(lái)都有可能成為環(huán)保、高效的材料選擇，對(duì)環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)都具有積極意義。

△該研究發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上，題目為“具有結(jié)構(gòu)導(dǎo)向熱、機(jī)械和生物性能的納米纖維素氣凝膠的增材制造”（傳送門(mén)）

2024年4月6日，南極熊獲悉，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Empa）研究人員成功將所有這些優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一種材料中。他們基于纖維素的可3D打印氣凝膠具有更廣泛的應(yīng)用。這種生物降解氣凝膠材料可能具有環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的潛力，對(duì)于解決塑料污染等環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。

△ Empa研究人員開(kāi)發(fā)了一種可生物降解纖維素氣凝膠的3D打印工藝

在2020年，Zhao和Malfait與其他研究人員合作開(kāi)發(fā)了一種打印二氧化硅氣凝膠的工藝。二氧化硅氣凝膠是一種泡沫狀材料，具有高度開(kāi)孔且脆性。在Empa開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)之前，將其塑造成復(fù)雜的形式幾乎是不可能的。Zhao說(shuō)：“下一步是將我們的打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械性能更堅(jiān)固的生物基氣凝膠上，這是合乎邏輯的�！�

研究人員選擇了地球上最常見(jiàn)的生物聚合物作為起始材料：纖維素。使用簡(jiǎn)單的加工步驟可以從這種植物材料中獲得各種納米顆粒。博士生Sivaraman使用兩種類(lèi)型的納米顆粒，纖維素納米晶體和纖維素納米纖維，來(lái)生產(chǎn)用于打印生物氣凝膠的墨水。

△純納米纖維素水凝膠和氣凝膠的增材制造

80%以上是水

油墨的流動(dòng)特性在3D打印中至關(guān)重要：它必須具有足夠的粘性，以便在凝固前保持三維形狀。但與此同時(shí)，它還應(yīng)在壓力下液化，以便能夠流過(guò)噴嘴。通過(guò)納米晶體和納米纖維的結(jié)合，Sivaraman成功地做到了這一點(diǎn)。長(zhǎng)納米纖維使油墨具有高粘度，而相當(dāng)短的晶體則確保油墨具有剪切稀化效果，使其在擠出過(guò)程中更容易流動(dòng)。

這種油墨總共含有約12%的纖維素和88%的水。Sivaraman說(shuō)：“我們僅用纖維素就能達(dá)到所需的性能，而不需要任何添加劑或填料。這不僅對(duì)氣凝膠最終產(chǎn)品的生物降解性，而且對(duì)其隔熱性能都是一個(gè)好消息。

zhao解釋說(shuō)：“為了在打印后將油墨變成氣凝膠，研究人員首先用乙醇取代了孔隙溶劑水，然后又用空氣取代了乙醇，所有這一切都保持了形狀的真實(shí)性。油墨中的固體物質(zhì)越少，生成的氣凝膠就越多孔�！�

這種高孔隙率和小孔徑使得所有氣凝膠都是非常有效的隔熱材料。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)了3D打印纖維素氣凝膠的一個(gè)獨(dú)特特性：它是各向異性的。這意味著它的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性與方向有關(guān)。

Malfait說(shuō)：“各向異性部分是由于納米纖維素纖維的取向，部分是由于3D打印工藝本身。這樣，研究人員就能控制氣凝膠片在哪條軸上特別穩(wěn)定或特別絕緣。這種精確制作的絕緣部件可用于微電子領(lǐng)域，因?yàn)闊崃恐荒苎刂�特定方向傳�?dǎo)。”

△3D打印的物體可以多次再水化和干燥而不會(huì)失去形狀，或者可以將它們制成疏水性

在醫(yī)學(xué)上的許多潛在應(yīng)用

盡管最初的研究項(xiàng)目主要對(duì)隔熱感興趣，但研究人員很快發(fā)現(xiàn)了可打印生物氣凝膠的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)。由于新型氣凝膠由純纖維素組成，因此與活體組織和細(xì)胞具有生物相容性。

其多孔結(jié)構(gòu)能夠吸收藥物，然后長(zhǎng)時(shí)間釋放到體內(nèi)。3D打印提供了生產(chǎn)精確形狀的可能性，例如可以用作細(xì)胞生長(zhǎng)的支架或植入物。

一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是，打印的氣凝膠可以在初始干燥過(guò)程后可以進(jìn)行多次再水化和再干燥，而不會(huì)失去形狀或多孔結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，這將使材料更容易處理。它可以在干燥狀態(tài)下儲(chǔ)存和運(yùn)輸，只有在使用前不久才浸泡在水中。

干燥后，它不僅重量輕、便于操作，而且不易受細(xì)菌影響，而且無(wú)需精心保護(hù)以防止干燥。Sivaraman解釋道： “如果您想在氣凝膠中添加活性成分，可以在使用前的最后補(bǔ)水步驟中完成。這樣你就不會(huì)面臨藥物隨著時(shí)間的推移或儲(chǔ)存不當(dāng)而失去效力的風(fēng)險(xiǎn)�！�