可生物降解气凝胶：来自3D打印机的Airy纤维素

乍一看，可生物降解材料、3D打印油墨和气凝胶似乎没有太多共同点。这三者都具有巨大的未来潜力；然而，“绿色”材料不会污染环境，3D打印可以生产复杂的结构而不会浪费，超轻气凝胶是极好的隔热材料

Empa的研究人员现在已经成功地将所有这些优势结合在一种材料中。他们的纤维素基3D打印气凝胶可以做得更多。这项研究发表在《高级科学》杂志上

该材料是在Empa建筑能源材料和组件实验室的Deeptanshu Sivaraman、Wim Malfait和Shanyu赵的领导下与Cellulose&；木材材料和先进分析技术实验室以及X射线分析中心

赵和马尔费特与其他研究人员一起，已经在2020年开发了一种印刷二氧化硅气凝胶的工艺。这不是一项微不足道的任务：二氧化硅气凝胶是一种类似泡沫的材料，高度开放、多孔且易碎。在Empa发展之前，将它们塑造成复杂的形状几乎是不可能的。赵说：“将我们的印刷技术应用于机械性能更强大的生物气凝胶是合乎逻辑的下一步。”

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。可以使用简单的加工步骤从这种植物基材料获得各种纳米颗粒。博士生Sivaraman使用了两种类型的这种纳米颗粒&mdash；纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维&mdash；生产用于打印生物气凝胶的“墨水”

超过80%的水

墨水的流动特性在3D打印中至关重要：它必须足够粘稠，才能在固化前保持三维形状。然而，与此同时，它应该在压力下液化，这样它就可以流过喷嘴。通过纳米晶体和纳米纤维的结合，Sivaraman成功地做到了这一点：长的纳米纤维使墨水具有高粘度，而相当短的晶体确保墨水具有剪切变薄效应，从而使其在挤出过程中更容易流动

墨水总共含有约12%的纤维素&mdash；和88%的水。Sivaraman说：“我们能够在没有任何添加剂或填料的情况下，仅用纤维素就达到所需的性能。”。这不仅对最终气凝胶产品的生物降解性是个好消息，而且对其隔热性能也是个好消息。为了在印刷后将墨水变成气凝胶，研究人员首先用乙醇代替孔隙溶剂水，然后用空气代替，同时保持形状逼真。赵解释说：“墨水中的固体物质越少，产生的气凝胶就越多孔。”

这种高孔隙率和小尺寸的孔隙使所有气凝胶都是非常有效的隔热材料。然而，研究人员在印刷的纤维素气凝胶中发现了一个独特的特性：它是各向异性的。这意味着它的强度和导热性取决于方向

尽管最初的研究项目主要对隔热感兴趣，但研究人员很快就看到了可打印生物气凝胶的另一个应用领域：医学。由于这种新型气凝胶由纯纤维素组成，与活组织和细胞具有生物相容性

它的多孔结构能够吸收药物，然后在很长一段时间内将其释放到体内。3D打印提供了产生精确形状的可能性，例如，这些形状可以作为细胞生长的支架或植入物

一个特别的优点是，印刷的气凝胶可以在初始干燥过程后重新水合和干燥多次，而不会失去其形状或多孔结构。在实际应用中，这将使材料更容易处理：它可以以干燥的形式储存和运输，并且只在使用前不久浸泡在水中

干燥后，它不仅轻便方便，而且不易受细菌感染&mdash；并且不必精心保护以免干燥。Sivaraman说：“如果你想在气凝胶中添加活性成分，可以在使用前的最后再水合步骤中完成。”。“这样你就不会有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递送；目前较少关注3D打印。赵正在与德国和西班牙的研究人员合作，研究由其他生物聚合物制成的气凝胶，如分别从藻类和几丁质中提取的海藻酸盐和壳聚糖

同时，Wim Malfait希望进一步提高纤维素气凝胶的隔热性能。Deeptanshu Sivaraman已经完成了博士学位，并加入了Empa的子公司Siloxene AG，该公司基于硅制造新的混合分子