El milagroso aerogel a base de celulosa que se imprime en 3D

A primera vista materiales biodegradables, tintas de impresión 3D y aerogel no tienen mucho en común.

Sin embargo, considerados en conjunto, podrían tener un enorme potencial para el futuro: los materiales descomponibles son una alternativa a los contaminantes, la Imprimir 3D elimina el desperdicio en la producción de formas complejas y los aerogeles ultraligeros son excelentes aislantes termicos.

Los investigadores de la EMPA han conseguido aunar todas estas características en un único material, un aerogel a base de celulosa que se puede imprimir en 3D y que tiene propiedades extraordinarias.

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Aerogel de celulosa que imprime en 3D: el estudio EMPA

El material milagroso, compuesto en un 88 por ciento de agua, fue creado bajo la dirección de Deeptanshu Sivaraman, Wim malfait e shanyu zhao del laboratorio de Materiales y Componentes Energéticos de Construcción de EMPA, en colaboración con los laboratorios de Materiales de Celulosa y Madera y Tecnologías Analíticas Avanzadas y con el Centro de Análisis de Rayos X.

Zhao y Malfait, junto con otros investigadores, habían trabajado anteriormente en el impresión de aerogel de sílice en 2020, desarrollando el primer método para moldearlos en formas complejas. “El siguiente paso lógico fue aplicar nuestra tecnología de impresión a aerogeles de base biológica mecánicamente más robustos.“, explica el primero.

Los científicos eligieron como material de partida el celulosa, la biopolímero más común en la Tierra. Aerogeles de celulosa, leemos en el estudio publicado en "Ciencia avanzada”, han atraído considerable atención debido a su gran superficie y pueden adsorberse eficientemente contaminantes, aceites y otros contaminantes”. También pueden soportar grandes deformaciones sin romperse, lo que los hace útiles para aplicaciones como compuestos livianos y andamios.Ingeniería de tejidos.

"Sin embargo, la naturaleza ligera de los aerogeles La celulosa suele ser mecánicamente débil, lo que plantea un desafío a los métodos convencionales de producción de formas y geometrías complejas.”: un problema que los científicos han resuelto gracias a Imprimir 3D.

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Cómo convertir tinta tridimensional en aerogel

Desde el celulosa, el carbohidrato complejo que da rigidez y resistencia a las paredes celulares de las plantas, se pueden obtener varias nanopartículas con sencillos pasos de procesamiento. El estudiante de posgrado Deeptanshu Sivaraman utilizó dos de ellos para producir la “tinta” para imprimir bioaerogel: nanocristales de celulosa e nanofibras de celulosa.

En el Imprimir 3D, la fluidez de la tinta es fundamental: el material debe ser lo suficientemente viscoso para permanecer en su lugar durante la solidificación, pero debe poder licuarse bajo presión para pasar a través de la boquilla de la impresora.

Sivaraman logró la hazaña gracias a combinación de nanocristales y nanofibras de celulosa: mientras que las fibras largas dan viscosidad, los cristales aseguran el efecto de adelgazamiento por cizallamiento (por el cual la resistencia del fluido disminuye a medida que aumenta el esfuerzo de cizallamiento).

La tinta fabricada en EMPA contiene aproximadamente 12 por ciento de celulosa. El 88 por ciento restante está compuesto por agua. “Logramos obtener las propiedades requeridas solo con celulosa, sin aditivos ni rellenos“, explica Sivaraman. Buenas noticias no sólo para la biodegradabilidad de los productos finales, sino también para la de ellos propiedades de aislamiento térmico.

Después de la impresión, la tinta se transforma en aerogel: los investigadores sustituyen primero el disolvente (agua) poretanol y luego con el aire, manteniendo la fidelidad de la forma. “Cuanto menos materia sólida contenga la tinta, más poroso será el aerogel resultante.“, explica Zhao.

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Las posibles aplicaciones del bioaerogel imprimible

Todos los aerogeles son aislantes térmicos extremadamente eficaces, gracias a su alta porosidad y su pequeño tamaño de poro. yoaerogel de celulosa impreso en EMPA, sin embargo, también tiene otra propiedad: es anisótropo, es decir, sus características dependen de la dirección en la que esté orientado. “La anisotropía se debe en parte a la orientación de las fibras de nanocelulosa y en parte al propio proceso de impresión.“, explica Malfait.

Esta característica permite a los investigadores decidir en qué eje debe estar el trozo de aerogel. más estable o particularmente aislante: un componente con estas propiedades podría encontrar aplicación en el microelectrónica, donde el calor sólo necesita ser conducido en una dirección determinada.

El proyecto de investigación inicial, financiado por Fundación Nacional de Ciencias de Suiza (FNS), estaba destinado principalmente al estudio del aislamiento térmico, pero los científicos rápidamente vieron nuevas posibilidades para el nuevo bioaerogel imprimible, empezando por la medicina.

Al estar hecho de celulosa pura, este material es biocompatible con tejidos y células vivas. Su estructura porosa lo hace capaz de absorber medicamentos y liberarlos gradualmente en el cuerpo, mientras que la impresión 3D ofrece la posibilidad de crear formas complejas que podrían usarse como andamios para el crecimiento celular o como implantes.

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La investigación continúa: dispositivos médicos y otros biopolímeros

Otra característica muy prometedora del nuevo aerogel es que se puede hidratar y secar varias veces sin perder su forma o estructura porosa. Esta propiedad haría que el material fuera muy sencillo de manipular: una vez seco, no sólo es ligero y cómodo de manejar, sino que también es menos sensible a las bacterias y no es necesario protegerlo de forma elaborada para que no se seque. Además, podría almacenarse y transportarse seco y sumergirse en agua sólo antes de su uso.

"Si quieres agregar ingredientes activos al aerogel, puedes hacerlo en la etapa de rehidratación final, inmediatamente antes de su uso.”, explica Sivaraman. “De esta forma no existe riesgo de que el medicamento pierda su eficacia con el tiempo o debido a métodos de almacenamiento inadecuados.".

Los investigadores se centran en administración de drogas de aerogeles como parte de otro proyecto, menos centrado en la impresión 3D.

Mientras tanto, Shanyu Zhao colabora con investigadores alemanes y españoles en aerogeles elaborados con otros biopolímeros, como el alginato y quitosano, derivados de algas y quitina respectivamente, mientras que Wim Malfait trabaja en la mejora del aislamiento térmico en aerogeles de celulosa. Deeptanshu Sivaraman, que completó su doctorado, se unió a la spin-off de EMPA Siloxeno AG, que crea nuevos moléculas híbridas a base de silicio.

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