Biologisch afbreekbare aerogel: Luchtige cellulose uit een 3D-printer

Op het eerste gezicht lijken biologisch afbreekbare materialen, inkten voor 3D-printen en aerogels niet veel met elkaar gemeen te hebben. Alle drie hebben ze een groot potentieel voor de toekomst; “groene” materialen vervuilen het milieu echter niet, 3D-printen kan complexe structuren produceren zonder afval, en ultralichte aerogels zijn uitstekende warmte-isolatoren.

Empa-onderzoekers zijn er nu in geslaagd al deze voordelen in één materiaal te combineren. En hun op cellulose gebaseerde, 3D-printbare aerogel kan nog meer. De studie is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap.

Het materiaal is gemaakt onder leiding van Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait en Shanyu Zhao van Empa’s Building Energy Materials and Components-laboratorium, in samenwerking met de laboratoria Cellulose & Wood Materials en Advanced Analytical Technologies, evenals het Center for X-ray Analytics.

Samen met andere onderzoekers hadden Zhao en Malfait in 2020 al een proces ontwikkeld voor het printen van silica-aerogels. Dit was geen triviale taak: Silica-aerogels zijn schuimachtige materialen, zeer open poreus en bros. Vóór de Empa-ontwikkeling was het vrijwel onmogelijk om ze in complexe vormen om te zetten. “Het was de logische volgende stap om onze printtechnologie toe te passen op mechanisch robuustere biogebaseerde aerogels”, zegt Zhao.

Als uitgangsmateriaal kozen de onderzoekers het meest voorkomende biopolymeer op aarde: cellulose. Uit dit plantaardige materiaal kunnen met eenvoudige verwerkingsstappen verschillende nanodeeltjes worden gewonnen. Promovendus Sivaraman gebruikte twee soorten van dergelijke nanodeeltjes – nanokristallen van cellulose en nanovezels van cellulose – om de ‘inkt’ te produceren voor het printen van de bio-aerogel.

Meer dan 80% water

De vloei-eigenschappen van de inkt zijn cruciaal bij 3D-printen: de inkt moet stroperig genoeg zijn om een ​​driedimensionale vorm te behouden voordat deze uithardt. Tegelijkertijd moet het echter onder druk vloeibaar worden, zodat het door het mondstuk kan stromen. Met de combinatie van nanokristallen en nanovezels is Sivaraman daarin geslaagd: de lange nanovezels geven de inkt een hoge viscositeit, terwijl de vrij korte kristallen ervoor zorgen dat deze een shear thinning-effect heeft, zodat deze gemakkelijker vloeit tijdens de extrusie.

In totaal bevat de inkt ongeveer 12% cellulose en 88% water. “We konden de vereiste eigenschappen bereiken met alleen cellulose, zonder enige toevoegingen of vulstoffen”, zegt Sivaraman. Dit is niet alleen goed nieuws voor de biologische afbreekbaarheid van de uiteindelijke aerogelproducten, maar ook voor de warmte-isolerende eigenschappen ervan. Om de inkt na het printen in een aerogel te veranderen, vervangen de onderzoekers het poriënwater eerst door ethanol en vervolgens door lucht, terwijl de vormgetrouwheid behouden blijft. “Hoe minder vaste materie de inkt bevat, hoe poreuzer de resulterende aerogel”, legt Zhao uit.

Deze hoge porositeit en de kleine poriën maken alle aerogels uiterst effectieve warmte-isolatoren. De onderzoekers hebben echter een unieke eigenschap in de bedrukte cellulose-aerogel geïdentificeerd: het is anisotroop. Dit betekent dat de sterkte en thermische geleidbaarheid richtingsafhankelijk zijn.

“De anisotropie is deels te wijten aan de oriëntatie van de nanocellulosevezels en deels aan het printproces zelf”, zegt Malfait. Hierdoor kunnen de onderzoekers bepalen in welke as het bedrukte aerogelstuk bijzonder stabiel of bijzonder isolerend moet zijn. Dergelijke nauwkeurig vervaardigde isolerende componenten zouden kunnen worden gebruikt in de micro-elektronica, waar warmte alleen in een bepaalde richting mag worden geleid.

Veel potentiële toepassingen in de geneeskunde

Hoewel het oorspronkelijke onderzoeksproject vooral geïnteresseerd was in thermische isolatie, zagen de onderzoekers al snel een ander toepassingsgebied voor hun printbare bio-aerogel: de geneeskunde. Omdat het uit pure cellulose bestaat, is de nieuwe aerogel biocompatibel met levende weefsels en cellen.

De poreuze structuur is in staat medicijnen te absorberen en deze vervolgens gedurende een lange periode in het lichaam af te geven. En 3D-printen biedt de mogelijkheid om precieze vormen te produceren die bijvoorbeeld kunnen dienen als dragers voor celgroei of als implantaten.

Een bijzonder voordeel is dat de bedrukte aerogel na het eerste droogproces meerdere keren kan worden gerehydrateerd en opnieuw gedroogd zonder zijn vorm of poreuze structuur te verliezen. In praktische toepassingen zou dit het materiaal gemakkelijker te hanteren maken: het zou in droge vorm kunnen worden opgeslagen en vervoerd en pas kort voor gebruik in water kunnen worden geweekt.

Wanneer het droog is, is het niet alleen licht en handig in gebruik, maar ook minder vatbaar voor bacteriën – en hoeft het niet uitvoerig tegen uitdroging te worden beschermd. “Als je actieve ingrediënten aan de aerogel wilt toevoegen, kan dit vlak voor gebruik in de laatste rehydratatiestap”, zegt Sivaraman. “Dan loop je niet het risico dat het medicijn na verloop van tijd zijn werking verliest of verkeerd wordt bewaard.”

De onderzoekers werken in een vervolgproject ook aan medicijnafgifte via aerogels, waarbij de focus voorlopig minder ligt op 3D-printen. Shanyu Zhao werkt samen met onderzoekers uit Duitsland en Spanje aan aerogels gemaakt van andere biopolymeren, zoals alginaat en chitosan, afkomstig uit respectievelijk algen en chitine.

Ondertussen wil Wim Malfait de thermische isolatie van cellulose-aerogels verder verbeteren. En Deeptanshu Sivaraman heeft zijn doctoraat afgerond en is sindsdien aangesloten bij de Empa-spin-off Siloxene AG, die nieuwe hybride moleculen maakt op basis van silicium.