Een mogelijke vervanging voor plastic: draaiende bacteriën creëren verbeterde cellulose

In een wereldoverschrijding met plastic afval, die ongekende milieuproblemen veroorzaakt, heeft Assistant Professor of Mechanical and Aerospace Engineering, Maksud Rahman, een manier ontwikkeld om bacteriële cellulose te veranderen – een biologisch afbreekbaar materiaal – in een multifunctioneel materiaal door het potentieel om plastic te vervangen.

Het heeft het potentieel om uw volgende wegwerpwaterfles te worden, en zoveel meer, zoals verpakkingsmateriaal of zelfs wond verbanden – allemaal gemaakt van een van de overvloedige en biologisch afbreekbare biopolymeren van de aarde: bacteriële cellulose. Het papier is gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

“We stellen ons voor dat deze sterke, multifunctionele en milieuvriendelijke bacteriële cellulosebladen alomtegenwoordig worden, het vervangen van kunststoffen in verschillende industrieën en helpen bij het verminderen van milieuschade,” zei Rahman.

“We rapporteren een eenvoudige, single-step en schaalbare bottom-up strategie om robuuste bacteriële cellulosebladen biosynthetize met uitgelijnde nanofibrillen en bacteriële cellulose-gebaseerde multifunctionele hybride nanosheets met schuifkrachten van vloeistofstroom in een rotatiekweekapparaat.

“De resulterende bacteriële cellulosebladen vertonen hoge treksterkte flexibiliteit, opvouwbaarheid, optische transparantie en mechanische stabiliteit op lange termijn,” zei Masr Saadi, een doctoraatsstudent aan de Rice University, die diende als de eerste auteur van de studie. Shyam Bhakta, een postdoctorale fellow in biosciences bij Rice, ondersteunde de biologische implementatie.

Groeiende bezorgdheid over de schadelijke effecten van op aardolie gebaseerde, niet-afbreekbare materialen op het milieu heeft de vraag naar duurzame alternatieven, zoals natuurlijke of biomaterialen, geïntensiveerd. Bacteriële cellulose is naar voren gekomen als een potentieel biomateriaal dat van nature overvloedig, biologisch afbreekbaar en biocompatibel is.

Om de cellulose te versterken en meer functionaliteit te creëren, nam het team boornitride-nanosheets op in de vloeistof die de bacteriën voedt, en gefabriceerde bacteriële cellulose-boor nitride hybride nanosheets met nog betere mechanische eigenschappen (treksterkte tot ~ 553 mpa) en thermische eigenschappen (drie maals faster-snelheid van hitte vergeleken met monsters).

“Deze schaalbare, single-step bio-fabricatiebenadering die uitgelijnde, sterke en multifunctionele bacteriële cellulosebladen oplevert, zou de weg vrijmaken naar toepassingen in structurele materialen, thermisch beheer, verpakking, textiel, groene elektronica en energieopslag,” zei Rahman.

“We begeleiden in wezen de bacteriën om zich met doel te gedragen. In plaats van willekeurig te bewegen, richten we hun beweging, zodat ze cellulose op een georganiseerde manier produceren. Dit gecontroleerde gedrag, gecombineerd met onze flexibele biosynthesemethode met verschillende nanomaterialen, stelt ons in staat zowel structurele aanwijzing als multifunctionele eigenschappen in hetzelfde tijdstip te bereiken.”

En door te bewegen, betekent Rahman draaien, een op maat ontworpen rotatie-kweekapparaat introduceren waar cellulose-producerende bacteriën worden gekweekt in een cilindrische zuurstof-doorvoerbare incubator die continu wordt gesponnen met behulp van een centrale as om directionele vloeistofstroom te produceren. Deze stroom resulteert in consistente directionele reizen van de bacteriën.

“Dat verbetert de uitlijning van nanofibril in bulkbacteriële cellulosebladen aanzienlijk,” zei Rahman. “Dit werk is een belichaming van interdisciplinaire wetenschap op het snijvlak van materiaalwetenschap, biologie en nano -engineering.”