O milagroso aerogel à base de celulose impresso em 3D

À primeira vista, materiais biodegradáveis, tintas de impressão 3D e aerogel eles não têm muito em comum.

Contudo, considerados em conjunto, poderão ter um enorme potencial para o futuro: os materiais decomponíveis são uma alternativa aos poluentes, os Imprimir 3D elimina desperdícios na produção de formas complexas e aerogéis ultraleves são excelentes isolantes térmicos.

Os investigadores da EMPA conseguiram combinar todas estas características num único material, um aerogel à base de celulose que pode ser impresso em 3D e que possui propriedades extraordinárias.

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Aerogel de celulose que imprime em 3D: o estudo EMPA

O material milagroso, composto por 88% de água, foi criado sob a orientação de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao do laboratório de Materiais e Componentes Energéticos de Construção da EMPA, em colaboração com os laboratórios de Materiais de Celulose e Madeira e Tecnologias Analíticas Avançadas e com o Centro de Análise de Raios X.

Zhao e Malfait, juntamente com outros pesquisadores, já haviam trabalhado no impressão de aerogel de sílica em 2020, desenvolvendo o primeiro método para moldá-las em formas complexas. “O próximo passo lógico foi aplicar nossa tecnologia de impressão a aerogéis de base biológica mecanicamente mais robustos“, explica o primeiro.

Os cientistas escolheram como matéria-prima o celulose, o biopolímero mais comum na Terra. Aerogéis de celulose, lemos no estudo publicado em "Ciência Avançada”"atraíram considerável atenção devido à sua grande área superficial e podem adsorver eficientemente poluentes, óleos e outros contaminantes”. Eles também podem suportar grandes deformações sem quebrar, o que os torna úteis para aplicações como compósitos leves e andaimes.engenharia de tecidos.

"No entanto, o natureza leve dos aerogéis a celulose é geralmente mecanicamente fraca, o que representa um desafio aos métodos convencionais de produção de formas e geometrias complexas”: um problema que os cientistas resolveram graças a Imprimir 3D.

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Como transformar tinta tridimensional em aerogel

Do celulose, o carboidrato complexo que confere rigidez e resistência às paredes celulares das plantas, diversas nanopartículas podem ser obtidas com simples etapas de processamento. O estudante de pós-graduação Deeptanshu Sivaraman usou dois deles para produzir a “tinta” para impressão de bioaerogel: nanocristais de celulose e nanofibras de celulose.

em Imprimir 3D, a fluidez da tinta é fundamental: o material deve ser suficientemente viscoso para permanecer no lugar durante a solidificação, mas deve ser capaz de se liquefazer sob pressão para passar pelo bico da impressora.

Sivaraman conseguiu o feito graças a combinação de nanocristais e nanofibras de celulose: enquanto as fibras longas conferem viscosidade, os cristais garantem o efeito de afinamento por cisalhamento (pelo qual a resistência do fluido diminui à medida que a tensão de cisalhamento aumenta).

A tinta produzida na EMPA contém aproximadamente 12 por cento de celulose. Os 88% restantes são água. “Conseguimos obter as propriedades desejadas apenas com a celulose, sem aditivos ou enchimentos“, explica Sivaraman. Boas notícias não só para a biodegradabilidade dos produtos finais, mas também para a deles propriedades de isolamento térmico.

Após a impressão, a tinta se transforma em aerogel: os pesquisadores substituem primeiro o solvente (água) poretanol e depois com o ar, mantendo a fidelidade da forma. “Quanto menos matéria sólida a tinta contiver, mais poroso será o aerogel resultante.“, explica Zhao.

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As possíveis aplicações do bioaerogel imprimível

Todos os aerogéis são isolantes térmicos extremamente eficazes, graças à sua alta porosidade e pequeno tamanho de poros. EU'aerogel de celulose impressa na EMPA, porém, também tem outra propriedade: é anisotrópico, ou seja, suas características dependem da direção em que está orientado. “A anisotropia se deve em parte à orientação das fibras de nanocelulose e em parte ao próprio processo de impressão“, explica Malfait.

Este recurso permite que os pesquisadores decidam em qual eixo o pedaço de aerogel deve estar mais estável ou particularmente isolante: um componente com essas propriedades pode encontrar aplicação no microeletrônica, onde o calor só precisa ser conduzido em uma determinada direção.

O projeto de pesquisa inicial, financiado pela Fundação Nacional de Ciências da Suíça (FNS), tinha como objetivo principal estudar o isolamento térmico, mas os cientistas rapidamente viram novas possibilidades para o novo bioaerogel imprimível, começando pela medicina.

Por ser feito de celulose pura, esse material é Bio-compatível com tecidos e células vivas. Sua estrutura porosa o torna capaz de absorver medicamentos e libere-os gradualmente no corpo, enquanto a impressão 3D oferece a possibilidade de criar formas complexas que podem ser utilizadas como suportes para o crescimento celular ou como implantes.

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A pesquisa continua: dispositivos médicos e outros biopolímeros

Outra característica muito promissora do novo aerogel é que pode ser hidratado e seco várias vezes sem perder a forma ou a estrutura porosa. Esta propriedade tornaria o material muito simples de manusear: quando seco, não só é leve e confortável de manusear, como também é menos sensível a bactérias e não precisa ser elaboradamente protegido contra ressecamento. Além disso, poderia ser armazenado e transportado seco e imerso em água somente antes do uso.

"Se você quiser adicione ingredientes ativos ao aerogel, você pode fazer isso na etapa final de reidratação, imediatamente antes do uso”, explica Sivaraman. “Desta forma não há risco de o medicamento perder a sua eficácia ao longo do tempo ou devido a métodos de armazenamento inadequados.".

Os pesquisadores estão se concentrando em administração de drogas de aerogéis como parte de outro projeto, menos focado em impressão 3D.

Enquanto isso, Shanyu Zhao está colaborando com pesquisadores alemães e espanhóis em aerogéis feitos com outros biopolímeros, como alginato e quitosano, derivados de algas e quitina respectivamente, enquanto Wim Malfait trabalha na melhoria do isolamento térmico em aerogéis de celulose. Deeptanshu Sivaraman, que concluiu seu doutorado, juntou-se ao spin-off da EMPA Siloxeno AG, que cria novos moléculas híbridas baseado em silício.

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