A prima vista i materiali biodegradabili, gli inchiostri per la stampa 3D e gli aerogel non sembrano avere molto in comune. Tutti e tre hanno un grande potenziale per il futuro; tuttavia, i materiali "verdi" non inquinano l'ambiente, la stampa 3D può produrre strutture complesse senza sprechi e gli aerogel ultraleggeri sono eccellenti isolanti termici.
I ricercatori dell’Empa sono ora riusciti a riunire tutti questi vantaggi in un unico materiale. E il loro aerogel stampabile in 3D a base di cellulosa può fare ancora di più. Lo studio è pubblicato su Advanced Science .
Il materiale è stato creato sotto la guida di Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao del laboratorio Building Energy Materials and Components dell'Empa, in collaborazione con i laboratori Cellulose &Wood Materials e Advanced Analytical Technologies, nonché con il Center for X-ray Analytics. /P>
Insieme ad altri ricercatori, Zhao e Malfait avevano già sviluppato un processo per la stampa di aerogel di silice nel 2020. Non si trattava di un compito banale:gli aerogel di silice sono materiali simili alla schiuma, altamente porosi e fragili. Prima dello sviluppo dell’Empa, modellarli in forme complesse era praticamente impossibile. "Il passo successivo era logico applicare la nostra tecnologia di stampa ad aerogel di origine biologica meccanicamente più robusti", afferma Zhao.
I ricercatori hanno scelto come materiale di partenza il biopolimero più comune sulla Terra:la cellulosa. Da questo materiale di origine vegetale è possibile ottenere diverse nanoparticelle utilizzando semplici fasi di lavorazione. Il dottorando Sivaraman ha utilizzato due tipi di tali nanoparticelle, nanocristalli di cellulosa e nanofibre di cellulosa, per produrre l'"inchiostro" per la stampa del bio-aerogel.
Oltre l'80% di acqua
Le caratteristiche di flusso dell'inchiostro sono cruciali nella stampa 3D:deve essere sufficientemente viscoso per mantenere una forma tridimensionale prima della solidificazione. Allo stesso tempo, però, dovrebbe liquefarsi sotto pressione in modo da poter fluire attraverso l'ugello. Con la combinazione di nanocristalli e nanofibre, Sivaraman è riuscito a fare proprio questo:le lunghe nanofibre conferiscono all'inchiostro un'elevata viscosità, mentre i cristalli piuttosto corti assicurano che abbia un effetto di assottigliamento al taglio in modo che scorra più facilmente durante l'estrusione.
In totale, l'inchiostro contiene circa il 12% di cellulosa e l'88% di acqua. "Siamo riusciti a ottenere le proprietà richieste solo con la cellulosa, senza additivi o riempitivi", afferma Sivaraman. Questa non è solo una buona notizia per la biodegradabilità dei prodotti finali dell’aerogel, ma anche per le sue proprietà di isolamento termico. Per trasformare l'inchiostro in un aerogel dopo la stampa, i ricercatori sostituiscono l'acqua del solvente prima con etanolo e poi con aria, il tutto mantenendo la fedeltà della forma. "Meno è la materia solida contenuta nell'inchiostro, più poroso è l'aerogel risultante", spiega Zhao.
Questa elevata porosità e la piccola dimensione dei pori rendono tutti gli aerogel isolanti termici estremamente efficaci. Tuttavia, i ricercatori hanno identificato una proprietà unica nell’aerogel di cellulosa stampato:è anisotropo. Ciò significa che la sua resistenza e conduttività termica dipendono dalla direzione.
"L'anisotropia è dovuta in parte all'orientamento delle fibre di nanocellulosa e in parte al processo di stampa stesso", spiega Malfait. Ciò consente ai ricercatori di controllare in quale asse il pezzo di aerogel stampato deve essere particolarmente stabile o particolarmente isolante. Tali componenti isolanti realizzati con precisione potrebbero essere utilizzati nella microelettronica, dove il calore dovrebbe essere condotto solo in una determinata direzione.
Sebbene il progetto di ricerca originale fosse interessato principalmente all’isolamento termico, i ricercatori hanno subito individuato un altro campo di applicazione per il loro bio-aerogel stampabile:la medicina. Essendo costituito da pura cellulosa, il nuovo aerogel è biocompatibile con i tessuti e le cellule viventi.
La sua struttura porosa è in grado di assorbire i farmaci e di rilasciarli poi nell'organismo per un lungo periodo di tempo. E la stampa 3D offre la possibilità di produrre forme precise che potrebbero, ad esempio, servire come impalcature per la crescita cellulare o come impianti.
Un vantaggio particolare è che l'aerogel stampato può essere reidratato e ri-asciugato più volte dopo il processo di asciugatura iniziale senza perdere la sua forma o struttura porosa. Nelle applicazioni pratiche, ciò renderebbe il materiale più facile da maneggiare:potrebbe essere immagazzinato e trasportato in forma asciutta ed essere immerso in acqua solo poco prima dell'uso.
Una volta asciutto, non solo è leggero e comodo da maneggiare, ma è anche meno suscettibile ai batteri e non necessita di essere protetto in modo elaborato dalla disidratazione. "Se si desidera aggiungere ingredienti attivi all'aerogel, è possibile farlo nella fase finale di reidratazione immediatamente prima dell'uso", afferma Sivaraman. "Così non corri il rischio che il farmaco perda la sua efficacia nel tempo o se viene conservato in modo errato."
I ricercatori stanno anche lavorando sulla somministrazione di farmaci tramite aerogel in un progetto successivo, concentrandosi per ora meno sulla stampa 3D. Shanyu Zhao sta collaborando con ricercatori tedeschi e spagnoli su aerogel realizzati con altri biopolimeri, come l'alginato e il chitosano, derivati rispettivamente da alghe e chitina.
Nel frattempo Wim Malfait vuole migliorare ulteriormente l'isolamento termico degli aerogel di cellulosa. E Deeptanshu Sivaraman ha completato il suo dottorato e da allora è entrato a far parte dello spin-off dell'Empa Siloxene AG, che crea nuove molecole ibride a base di silicio.
Ulteriori informazioni: Deeptanshu Sivaraman et al, Produzione additiva di aerogel di nanocellulosa con proprietà termiche, meccaniche e biologiche orientate alla struttura, Scienza avanzata (2024). DOI:10.1002/advs.202307921
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