研究者はセルロースを使って機能化された生分解性エアロゲルを3Dプリントする

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-4-6 13:27 に最後に編集されました

生分解性材料、 3D プリントインク、エアロゲルは、表面的にはあまり共通点がないように見えるかもしれませんが、いずれも大きな可能性を秘めています。生分解性素材は環境に優しく、環境汚染を引き起こさず、リサイクルも可能です。 3D プリントは廃棄物を出さずに複雑な構造を生成できるため、これら 3 つの材料は将来的に環境に優しく効率的な材料の選択肢になる可能性があり、環境と工業生産の両方にプラスの影響を与えています。

△この研究は、「構造指向の熱的、機械的、生物学的特性を備えたナノセルロースエアロゲルの付加製造」というタイトルで、Advanced Science誌に掲載されました（ポータル）
2024年4月6日、アンタークティックベアは、スイス連邦材料科学技術研究所（Empa）の研究者がこれらすべての利点を1つの材料に組み合わせることに成功したことを知りました。セルロースベースの 3D プリント可能なエアロゲルは、幅広い用途に使用できます。この生分解性エアロゲル材料は、環境保護と持続可能な開発の可能性を秘めており、プラスチック汚染などの環境問題の解決に大きな意義を持っています。

△ Empaの研究者が生分解性セルロースエアロゲルの3Dプリントプロセスを開発 2020年、Zhao氏とMalfait氏は他の研究者と協力して、シリカエアロゲルを印刷するプロセスを開発した。シリカエアロゲルは、非常に多孔質で脆い泡状の材料です。 Empa がこの技術を開発する前は、複雑な形状に成形することはほぼ不可能でした。「論理的に次のステップは、私たちの印刷技術を、機械的により強度の高いバイオベースのエアロゲルに適用することだ」と趙氏は語った。

研究者たちは、地球上で最も一般的なバイオポリマーであるセルロースを出発物質として選びました。この植物材料から、簡単な処理手順でさまざまなナノ粒子を得ることができます。博士課程の学生シヴァラマン氏は、セルロースナノ結晶とセルロースナノファイバーという2種類のナノ粒子を使用して、バイオエアロゲルの印刷に使用するインクを製造した。

△ 純粋ナノセルロースハイドロゲルおよびエアロゲルの付加製造
80%以上は水

3D プリントではインクの流動特性が非常に重要です。インクは固まる前に 3 次元形状を保持できるほど粘性が高くなければなりません。しかし同時に、ノズルを通って流れるためには圧力をかけて液化する必要もあります。シヴァラマン氏はナノクリスタルとナノファイバーを組み合わせることでこれを実現した。長いナノファイバーはインクに高い粘度を与え、一方、かなり短い結晶はインクにせん断減粘効果をもたらし、押し出し中にインクがより容易に流れるようにします。

インクには合計約 12% のセルロースと 88% の水が含まれています。「添加物や充填剤を一切使わず、セルロースのみを使用して、望ましい特性を達成することができました」とシヴァラマン氏は語った。これは、エアロゲル最終製品の生分解性だけでなく、断熱特性にとっても朗報である。

「印刷後にインクをエアロゲルに変えるには、研究者はまず細孔溶媒の水をエタノールに置き換え、次にエタノールを空気に置き換えたが、その間ずっと形状の正確さは維持された」と趙氏は説明した。「インク内の固形物が少ないほど、結果として得られるエアロゲルの多孔質性は高まる。」

この高い多孔性と小さな孔サイズにより、すべてのエアロゲルは非常に効果的な断熱材となります。しかし、研究者たちは、3D プリントされたセルロースエアロゲルのユニークな特性、つまり異方性を発見しました。つまり、強度と熱伝導率は方向によって異なります。

「異方性は、ナノセルロース繊維の配向と3Dプリントプロセス自体によるところが大きい」とマルフェット氏は言う。「これにより、研究者はエアロゲルシートがどの軸で特に安定しているか、あるいは絶縁性があるかを制御できる。熱は特定の方向にしか伝導できないため、このように精密に作られた絶縁部品はマイクロエレクトロニクスに使用できる可能性がある」

△3Dプリントされた物体は、形状を崩すことなく何度も再水和・乾燥することができ、また疎水性にすることもできる。
医療分野における多くの潜在的応用

当初の研究プロジェクトは主に断熱に関心がありましたが、研究者たちはすぐに、印刷可能なバイオエアロゲルの別の応用分野、つまり医療を発見しました。新しいエアロゲルは純粋なセルロースで構成されているため、生体組織や細胞との生体適合性があります。

多孔質構造により薬剤を吸収し、長期間にわたって体内に放出することができます。 3D プリンティングは、たとえば細胞の成長のための足場やインプラントとして使用できる正確な形状を生成する可能性を提供します。

特に有利なのは、印刷されたエアロゲルは、最初の乾燥プロセス後に、形状や多孔質構造を失うことなく、複数回再水和および再乾燥できることです。実際の用途では、これにより材料の取り扱いが容易になります。乾燥した状態で保管・輸送でき、使用直前に水に浸すだけで済みます。

乾燥すると軽量で扱いやすくなるだけでなく、細菌の影響を受けにくくなり、乾燥を防ぐための特別な保護も必要ありません。「エアロゲルに有効成分を加えたい場合、使用前の最終水分補給段階で加えることができます」とシヴァラマン氏は説明する。「そうすれば、時間が経ったり、適切に保管されなかったりしても、薬の効力が失われるリスクはありません。」

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