研究人员利用纤维素3D打印功能化可生物降解的气凝胶

导读：尽管生物降解材料、3D打印墨水和气凝胶在表面上看起来似乎没有太多共同点，但它们都具有巨大的潜力。生物降解材料对环境友好，不会造成环境污染，而且可以循环再生利用。3D打印可以制造复杂的结构而不产生浪费，因此，这三种材料在未来都有可能成为环保、高效的材料选择，对环境和工业生产都具有积极意义。

△该研究发表在《先进科学》杂志上，题目为“具有结构导向热、机械和生物性能的纳米纤维素气凝胶的增材制造”（传送门）

2024年4月6日，南极熊获悉，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）研究人员成功将所有这些优点结合在一种材料中。他们基于纤维素的可3D打印气凝胶具有更广泛的应用。这种生物降解气凝胶材料可能具有环保、可持续发展的潜力，对于解决塑料污染等环境问题具有重要意义。

△ Empa研究人员开发了一种可生物降解纤维素气凝胶的3D打印工艺

在2020年，Zhao和Malfait与其他研究人员合作开发了一种打印二氧化硅气凝胶的工艺。二氧化硅气凝胶是一种泡沫状材料，具有高度开孔且脆性。在Empa开发这项技术之前，将其塑造成复杂的形式几乎是不可能的。Zhao说：“下一步是将我们的打印技术应用到机械性能更坚固的生物基气凝胶上，这是合乎逻辑的。”

研究人员选择了地球上最常见的生物聚合物作为起始材料：纤维素。使用简单的加工步骤可以从这种植物材料中获得各种纳米颗粒。博士生Sivaraman使用两种类型的纳米颗粒，纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维，来生产用于打印生物气凝胶的墨水。

△纯纳米纤维素水凝胶和气凝胶的增材制造

80%以上是水

油墨的流动特性在3D打印中至关重要：它必须具有足够的粘性，以便在凝固前保持三维形状。但与此同时，它还应在压力下液化，以便能够流过喷嘴。通过纳米晶体和纳米纤维的结合，Sivaraman成功地做到了这一点。长纳米纤维使油墨具有高粘度，而相当短的晶体则确保油墨具有剪切稀化效果，使其在挤出过程中更容易流动。

这种油墨总共含有约12%的纤维素和88%的水。Sivaraman说：“我们仅用纤维素就能达到所需的性能，而不需要任何添加剂或填料。这不仅对气凝胶最终产品的生物降解性，而且对其隔热性能都是一个好消息。

zhao解释说：“为了在打印后将油墨变成气凝胶，研究人员首先用乙醇取代了孔隙溶剂水，然后又用空气取代了乙醇，所有这一切都保持了形状的真实性。油墨中的固体物质越少，生成的气凝胶就越多孔。”

这种高孔隙率和小孔径使得所有气凝胶都是非常有效的隔热材料。然而，研究人员发现了3D打印纤维素气凝胶的一个独特特性：它是各向异性的。这意味着它的强度和导热性与方向有关。

Malfait说：“各向异性部分是由于纳米纤维素纤维的取向，部分是由于3D打印工艺本身。这样，研究人员就能控制气凝胶片在哪条轴上特别稳定或特别绝缘。这种精确制作的绝缘部件可用于微电子领域，因为热量只能沿着特定方向传导。”

△3D打印的物体可以多次再水化和干燥而不会失去形状，或者可以将它们制成疏水性

在医学上的许多潜在应用

尽管最初的研究项目主要对隔热感兴趣，但研究人员很快发现了可打印生物气凝胶的另一个应用领域：医学。由于新型气凝胶由纯纤维素组成，因此与活体组织和细胞具有生物相容性。

其多孔结构能够吸收药物，然后长时间释放到体内。3D打印提供了生产精确形状的可能性，例如可以用作细胞生长的支架或植入物。

一个特别的优点是，打印的气凝胶可以在初始干燥过程后可以进行多次再水化和再干燥，而不会失去形状或多孔结构。在实际应用中，这将使材料更容易处理。它可以在干燥状态下储存和运输，只有在使用前不久才浸泡在水中。

干燥后，它不仅重量轻、便于操作，而且不易受细菌影响，而且无需精心保护以防止干燥。Sivaraman解释道： “如果您想在气凝胶中添加活性成分，可以在使用前的最后补水步骤中完成。这样你就不会面临药物随着时间的推移或储存不当而失去效力的风险。”