Gürkan Özsoy Blog

Biyolojik olarak parçalanabilen aerojel: 3D yazıcıdan havadar selüloz

İlk bakışta biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler, 3D baskı için mürekkepler ve aerojellerin pek ortak noktası yok gibi görünüyor. Ancak “yeşil” malzemeler çevreyi kirletmez, 3D baskı atık olmadan karmaşık yapılar üretebilir ve ultra hafif aerojeller mükemmel ısı izolatörleridir. Empa araştırmacıları şimdi tüm bu avantajları tek bir malzemede birleştirmeyi başardılar. Ve selüloz bazlı, 3D yazdırılabilir aerojelleri daha da fazlasını yapabiliyor. Çalışma Advanced Science dergisinde yayımlandı. Malzeme, Empa’nın Yapı Enerjisi Malzemeleri ve Bileşenleri laboratuvarından Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait ve Shanyu Zhao’nun liderliğinde, Selüloz ve Ahşap Malzemeler ve İleri Analitik Teknolojiler laboratuvarlarının yanı sıra X-ray Analitik Merkezi ile işbirliği içinde oluşturuldu.

Zhao ve Malfait, diğer araştırmacılarla birlikte 2020 yılında silika aerojellerin basılması için bir süreç geliştirmişti. Bu önemsiz bir iş değildi: Silika aerojeller köpük benzeri malzemelerdir, oldukça açık gözenekli ve kırılgandır. Empa’nın geliştirmesinden önce, onları karmaşık formlara dönüştürmek neredeyse imkansızdı. Zhao, “Baskı teknolojimizi mekanik olarak daha sağlam biyo-bazlı aerojellere uygulamak mantıklı bir sonraki adımdı” diyor.

Araştırmacılar başlangıç malzemesi olarak dünyadaki en yaygın biyopolimeri seçtiler: selüloz. Bu bitki bazlı malzemeden basit işleme adımları kullanılarak çeşitli nanopartiküller elde edilebilir. Doktora öğrencisi Sivaraman, biyo-aerojeli basmak üzere “mürekkep” üretmek için bu tür nanoparçacıkların iki türünü (selüloz nanokristaller ve selüloz nanofiberler) kullandı.

80’den fazla su

Mürekkebin akış özellikleri 3D baskıda çok önemlidir: Katılaşmadan önce üç boyutlu bir şekli tutabilmesi için yeterince viskoz olması gerekir. Ancak aynı zamanda basınç altında sıvılaşmalı ki nozülden akabilsin. Sivaraman, nanokristaller ve nanoliflerin birleşimiyle tam da bunu yapmayı başardı: Uzun nanolifler mürekkebe yüksek bir viskozite kazandırırken, oldukça kısa kristaller de ekstrüzyon sırasında daha kolay akması için kesme inceltme etkisine sahip olmasını sağlıyor. Mürekkep toplamda yaklaşık %12 selüloz ve %88 su içeriyor. Sivaraman, “Gerekli özellikleri herhangi bir katkı maddesi veya dolgu maddesi olmadan sadece selüloz ile elde edebildik” diyor. Bu sadece nihai aerojel ürünlerin biyolojik olarak parçalanabilirliği için değil, aynı zamanda ısı yalıtım özellikleri için de iyi bir haber. Baskıdan sonra mürekkebi aerojele dönüştürmek için, araştırmacılar gözenek çözücü suyu önce etanolle, sonra da havayla değiştiriyor ve bu sırada şekil doğruluğunu koruyorlar. Zhao, “Mürekkep ne kadar az katı madde içerirse, ortaya çıkan aerojel o kadar gözenekli olur” diye açıklıyor.

Bu yüksek gözeneklilik ve gözeneklerin küçük boyutu, tüm aerojelleri son derece etkili ısı yalıtkanları haline getiriyor. Ancak araştırmacılar, basılı selüloz aerojelde benzersiz bir özellik tespit ettiler: Aerojel anizotropik. Bu, mukavemetinin ve termal iletkenliğinin yöne bağlı olduğu anlamına geliyor. Malfait, “Anizotropi kısmen nanoselüloz liflerin yöneliminden, kısmen de baskı işleminin kendisinden kaynaklanıyor” diyor. Bu, araştırmacıların basılan aerojel parçasının hangi eksende özellikle kararlı veya özellikle yalıtkan olması gerektiğini kontrol etmelerini sağlıyor. Bu tür hassas bir şekilde hazırlanmış yalıtım bileşenleri, ısının yalnızca belirli bir yönde iletilmesi gereken mikroelektronikte kullanılabilir.

Tıpta birçok potansiyel uygulama

Orijinal araştırma projesi öncelikle ısı yalıtımı ile ilgilense de, araştırmacılar kısa sürede basılabilir biyo-aerojelleri için başka bir uygulama alanı gördüler: tıp. Saf selülozdan oluştuğu için yeni aerojel canlı doku ve hücrelerle biyolojik olarak uyumludur. Gözenekli yapısı ilaçları emebiliyor ve daha sonra uzun bir süre boyunca vücuda salabiliyor. Ve 3D baskı, örneğin hücre büyümesi için iskele veya implant olarak hizmet edebilecek hassas şekiller üretme imkanı sunuyor.

Basılan aerojelin, ilk kurutma işleminden sonra şeklini veya gözenekli yapısını kaybetmeden birkaç kez yeniden nemlendirilip yeniden kurutulabilmesi özel bir avantajdır. Pratik uygulamalarda bu, malzemenin kullanımını kolaylaştıracaktır: Kuru halde depolanabilir ve taşınabilir ve sadece kullanımdan kısa bir süre önce suya batırılabilir. Kuru haldeyken sadece hafif ve kullanımı kolay olmakla kalmaz, aynı zamanda bakterilere karşı daha az hassastır ve kurumaya karşı özenle korunması gerekmez. Sivaraman, “Aerojele aktif bileşenler eklemek istiyorsanız, bu işlem kullanımdan hemen önceki son rehidrasyon adımında yapılabilir” diyor. “Böylece ilacın zaman içinde ya da yanlış depolanması halinde etkinliğini kaybetme riski ortadan kalkar.”

Araştırmacılar, şimdilik 3D baskıya daha az odaklanarak, bir sonraki projede aerojellerden ilaç dağıtımı üzerinde de çalışıyorlar. Shanyu Zhao, sırasıyla alg ve kitinden türetilen aljinat ve kitosan gibi diğer biyopolimerlerden yapılan aerojeller üzerinde Almanya ve İspanya’dan araştırmacılarla işbirliği yapıyor. Bu arada Wim Malfait, selüloz aerojellerin ısı yalıtımını daha da iyileştirmek istiyor. Deeptanshu Sivaraman ise doktorasını tamamladı ve o zamandan beri silikon bazlı yeni hibrit moleküller yaratan Empa spin-off’u Siloxene AG’ye katıldı.