可生物降解的气凝胶来自3D打印机的气状纤维素

乍一看，可生物降解材料、3D打印墨水和气凝胶似乎没有太多共同点。这三者未来都有巨大的潜力;然而，“绿色”材料不会污染环境，3D打印可以制造复杂的结构而不产生浪费，超轻气凝胶是极好的隔热体。

Empa研究人员现已成功地将所有这些优点结合在一种材料中。他们的基于纤维素的可3D打印气凝胶的用途甚至更多。该研究发表在《先进科学》杂志上。

该材料是在Empa建筑能源材料和组件实验室的DeeptanshuSvaraman、WimMalfait和ShanyuZhu的领导下，与纤维素和木材材料和先进分析技术实验室以及X射线分析中心合作创建的。

2020年，Zhao和Malfait与其他研究人员一起开发了一种打印二氧化硅气凝胶的工艺。这不是一项简单的任务：二氧化硅气凝胶是泡沫状材料，具有高度开孔且脆性。在Empa开发之前，将它们塑造成复杂的形式几乎是不可能的。“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，”赵说。

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。博士生西瓦拉曼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”。

墨水的流动特性在3D打印中至关重要：它必须足够粘稠，才能在凝固前保持三维形状。但同时，它应该在压力下液化，以便可以流过喷嘴。通过纳米晶体和纳米纤维的结合，西瓦拉曼成功地做到了这一点：长的纳米纤维使墨水具有高粘度，而相当短的晶体确保其具有剪切稀化效果，从而在挤出过程中更容易流动。

墨水总共含有约12%的纤维素和88%的水。“我们仅用纤维素就能达到所需的性能，无需任何添加剂或填料，”西瓦拉曼说。这不仅对于最终气凝胶产品的生物降解性来说是个好消息，而且对于其隔热性能也是如此。为了在打印后将墨水变成气凝胶，研究人员首先用乙醇替换孔隙溶剂水，然后用空气替换，同时保持形状保真度。“墨水中含有的固体物质越少，产生的气凝胶就越多孔，”赵解释道。

这种高孔隙率和小孔径使得所有气凝胶都成为极其有效的隔热体。然而，研究人员发现了印刷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率与方向相关。

“各向异性部分是由于纳米纤维素纤维的取向，部分是由于印刷过程本身，”马尔费特说。这使得研究人员能够控制打印的气凝胶片在哪个轴上应该特别稳定或特别绝缘。这种精心制作的绝缘元件可用于微电子领域，其中热量只能沿特定方向传导。

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重新水合和重新干燥多次，而不会失去其形状或多孔结构。在实际应用中，这将使材料更易于处理：它可以以干燥形式储存和运输，并且仅在使用前不久浸泡在水中。

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。“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，”西瓦拉曼说。“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。”

研究人员还在后续项目中研究气凝胶的药物输送——目前不太关注3D打印。赵善宇正在与德国和西班牙的研究人员合作，开发由其他生物聚合物制成的气凝胶，例如分别源自藻类和甲壳素的海藻酸盐和壳聚糖。

与此同时，WimMalfait希望进一步提高纤维素气凝胶的隔热性能。DeeptanshuSivaraman已经完成了博士学位，并加入了Empa的衍生公司SiloxeneAG，该公司致力于创造基于硅的新型混合分子。