Technológia výroby materiálu z celulózových vlákien syntetizovaných baktériami spája v sebe pevnosť porovnateľnú s niektorými kovmi a vysokú funkčnosť. Podľa autorov sa môže stať štandardom pre materiály novej generácie, ktoré nahradia plast.
Bakteriálna celulóza je biologicky rozložiteľná a vysoko čistá, čo z nej robí perspektívny ekologický biomateriál, ale tradične sa jej novovytvorené vlákna tvorili chaoticky v statických kultúrach, čo obmedzovalo jej vlastnosti.
Bakteriálna celulóza: ekologicky udržateľný biomateriál
Bakteriálna celulóza je typ celulózových vlákien produkovaných niektorými mikroorganizmami, ktorý sa vyznačuje vysokou čistotou a nanometrickou mikrostruktúrou. Na rozdiel od rastlinnej celulózy je bakteriálna celulóza mimoriadne čistá a biologicky rozložiteľná a kombinuje vysokú mechanickú pevnosť s biologickou kompatibilitou a optickou priehľadnosťou. Vďaka týmto vlastnostiam sa jej použitie už skúma v medicínskych materiáloch (napríklad v priehľadných obväzoch na rany) a funkčných fóliách. Pri tradičných metódach kultivácie bez miešania však celulózové vlákna rastú chaoticky, čo neumožňuje plne využiť ich vnútornú pevnosť.
Rotačný bioreaktor riadi biosyntézu
V štúdii uverejnenej v Nature Communications tímom z Riceovej univerzity a Univerzity v Houstone sú podrobne opísané vývoj tohto rotačného bioreaktora a vynikajúce vlastnosti nového bakteriálneho materiálu.
Kľúčovou inováciou výskumu bolo vytvorenie valcovitého rotačného bioreaktora, ktorý smeruje tok živného média tak, aby vyrovnal baktérie produkujúce celulózu. Pomalé otáčanie kyslíkom priepustného valca s tekutým živným prostredím vo vnútri vytvára prúd, ktorý núti baktérie pohybovať sa v jednom smere počas rastu. Týmto spôsobom sa novovytvorené celulózové vlákna usadzujú paralelne a vytvárajú vyrovnané listy s vylepšenými vlastnosťami.
M.A.S.R. Saadi, doktorand na Riceovej univerzite a prvý autor štúdie, vysvetlil: „Náš prístup spočíval vo vývoji rotujúceho bioreaktora, ktorý usmerňuje pohyb baktérií produkujúcich celulózu a vyrovnáva ich pohyb počas rastu. Toto vyrovnanie výrazne zlepšuje mechanické vlastnosti celulózy, čím vzniká materiál, ktorého pevnosť je porovnateľná s pevnosťou niektorých kovov a skla, ale zároveň je dostatočne pružný, aby sa dal ohýbať, a je ekologicky nezávadný.“
Výnimočný materiál: pevnosť a ohybnosť
Získaný materiál je bakteriálny celulózový list s výnimočnou pevnosťou a ohybnosťou. Vďaka vyrovnaniu vlákien dosiahla pevnosť v ťahu 436 MPa, čo je viac ako dvojnásobok hodnoty dosiahnutej pri použití bežných statických kultúr. Výrazne sa zlepšili aj ostatné mechanické vlastnosti: zvýšil sa modul pružnosti a viskozita, čo umožňuje materiálu vydržať dlhodobé opakované použitie bez straty integrity.
Tento biomateriál má teda nasledujúce vlastnosti:
- Pevnosť v ťahu až 436 MPa (viac ako dvakrát vyššia ako u tradičnej bakteriálnej celulózy).
- Po pridaní nitridu bóru sa pevnosť zvyšuje na ~553 MPa.
- Vysoká ohybnosť a ohybnosť (má optickú priehľadnosť a ohybnosť ako niektoré plasty).
- Dlhá životnosť: zachováva tvar a pevnosť aj po tisícoch cyklov zaťaženia.
- Prirodzená biologická rozložiteľnosť, ktorá zabraňuje ukladaniu odpadu v životnom prostredí.
Aby rozšírili funkčnosť materiálu, výskumníci pridali do prostredia počas biosyntézy „nanolisty“ boritanu (BNNS). Tieto listy boritanu sa rovnomerne vmiešali do celulózovej matice a fyzicky sa preplietli s vláknami. Výsledkom bol hybridný materiál s ešte väčšou pevnosťou (až ~553 MPa) a lepším odvodom tepla. Laserové testy ukázali, že odvod tepla hybridného materiálu je trikrát vyšší ako u čistej celulózy, čo otvára možnosti použitia v oblastiach, kde je potrebná regulácia teploty. Okrem toho sa v procese podarilo integrovať BNNS bez narušenia orientácie vlákien, pričom sa zachovala priehľadnosť a ohybnosť materiálu.
Potenciálne použitie a budúcnosť
Popísaná technika je škálovateľná a univerzálna, pretože umožňuje pridávať rôzne nanomateriály vo fáze biosyntézy. Napríklad okrem BNNS je možné použiť nanočastice grafenu, ílu alebo iných prísad, aby sa materiálu dodala elektrická vodivosť, odolnosť proti ohňu alebo iné špecifické funkcie. Najpozoruhodnejšie je, že tento proces umožňuje v jednej fáze dosiahnuť vysokú pevnosť vďaka vyrovnaniu vlákien aj požadovanú funkčnosť.
Tento prístup sľubuje revolúciu v mnohých odvetviach priemyslu. Listy z vyrovnanej bakteriálnej celulózy môžu byť použité v takých oblastiach ako:
- Stavebné a konštrukčné materiály, ktoré nahrádzajú plasty alebo dokonca ľahké kovové komponenty.
- Tepelná regulácia v elektronických zariadeniach alebo chladičoch vďaka vysokej tepelnej vodivosti.
- Ekologické obaly, ktoré zabezpečujú pevnosť plastu bez poškodenia životného prostredia.
- Pokrokové textilné výrobky a „zelená“ elektronika, kde je potrebná rovnováha medzi pevnosťou a pružnosťou.
- Systémy ukladania energie (batérie alebo superkondenzátory) vďaka nízkej hmotnosti a pevnosti.
Autori štúdie poukazujú na to, že nové bakteriálne fólie môžu nahradiť plast v rôznych odvetviach priemyslu. Hoci je ešte potrebná optimalizácia veľkovýroby, táto stratégia kontrolovanej biosyntézy otvára sľubnú cestu k biologicky rozložiteľným a ekologicky čistým materiálom, ktoré umožnia znížiť znečistenie životného prostredia plastom.
