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似乎沒有太多共同點，但它們都具有巨大的潛力。生物降解材料對環(huán)境友好，不會造成環(huán)境污染，而且可以循環(huán)再生利用。3D打印可以制造復雜的結構而不產(chǎn)生浪費，因此，這三種材料在未來都有可能成為環(huán)保、高效的材料選擇，對環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)都具有積極意義。

△該研究發(fā)表在《先進科學》雜志上，題目為“具有結構導向熱、機械和生物性能的納米纖維素氣凝膠的增材制造”（傳送門）

2024年4月6日，南極熊獲悉，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（Empa）研究人員成功將所有這些優(yōu)點結合在一種材料中。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，對于解決塑料污染等環(huán)境問題具有重要意義。

△ Empa研究人員開發(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，具有高度開孔且脆性。在Empa開發(fā)這項技術之前，將其塑造成復雜的形式幾乎是不可能的。Zhao說：“下一步是將我們的打印技術應用到機械性能更堅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的生物聚合物作為起始材料：纖維素。使用簡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使用兩種類型的納米顆粒，纖維素納米晶體和纖維素納米纖維，來生產(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

油墨的流動特性在3D打印中至關重要：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，它還應在壓力下液化，以便能夠流過噴嘴。通過納米晶體和納米纖維的結合，Sivaraman成功地做到了這一點。長納米纖維使油墨具有高粘度，而相當短的晶體則確保油墨具有剪切稀化效果，使其在擠出過程中更容易流動。

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

zhao解釋說：“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性。油墨中的固體物質越少，生成的氣凝膠就越多孔?！?br />
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獨特特性：它是各向異性的。這意味著它的強度和導熱性與方向有關。

Malfait說：“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域，因為熱量只能沿著特定方向傳導。”

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

在醫(yī)學上的許多潛在應用

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

其多孔結構能夠吸收藥物，然后長時間釋放到體內(nèi)。3D打印提供了生產(chǎn)精確形狀的可能性，例如可以用作細胞生長的支架或植入物。

一個特別的優(yōu)點是，打印的氣凝膠可以在初始干燥過程后可以進行多次再水化和再干燥，而不會失去形狀或多孔結構。在實際應用中，這將使材料更容易處理。它可以在干燥狀態(tài)下儲存和運輸，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，而且不易受細菌影響，而且無需精心保護以防止干燥。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水步驟中完成。這樣你就不會面臨藥物隨著時間的推移或儲存不當而失去效力的風險?！?br />