Celulosa aireada de una impresora 3D
Muchas aplicaciones potenciales en medicina
Ultraligeros, aislantes térmicos y biodegradables: Los aerogeles de celulosa son versátiles. Investigadores del Empa han logrado imprimir en 3D este material natural en formas complejas que algún día podrían servir como aislante de precisión en microelectrónica o como implantes médicos personalizados.
A primera vista, los materiales biodegradables, las tintas para impresión 3D y los aerogeles no parecen tener mucho en común. Sin embargo, los tres tienen un gran potencial de futuro: los materiales "verdes" no contaminan el medio ambiente, la impresión 3D puede producir estructuras complejas sin residuos y los aerogeles ultraligeros son excelentes aislantes térmicos. Los investigadores del Empa han logrado combinar todas estas ventajas en un solo material. Y su aerogel imprimible en 3D a base de celulosa puede hacer aún más.
El material milagroso fue creado bajo la dirección de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait y Shanyu Zhao, del laboratorio de Materiales y Componentes Energéticos para la Construcción de Empa, en colaboración con los laboratorios de Celulosa y Materiales de Madera y de Tecnologías Analíticas Avanzadas, así como con el Centro de Análisis de Rayos X. Junto con otros investigadores, Zhao y Malfait ya habían desarrollado un proceso para imprimir aerogeles de sílice en 2020. Una tarea nada trivial: Los aerogeles de sílice son materiales similares a la espuma, de poros muy abiertos y quebradizos. Antes del desarrollo de Empa, darles formas complejas era prácticamente imposible. "El siguiente paso lógico era aplicar nuestra tecnología de impresión a aerogeles de base biológica mecánicamente más robustos", afirma Zhao.
Los investigadores eligieron como material de partida el biopolímero más común en la Tierra: la celulosa. A partir de este material de origen vegetal pueden obtenerse diversas nanopartículas mediante sencillos pasos de procesamiento. El estudiante de doctorado Deeptanshu Sivaraman utilizó dos tipos de nanopartículas (nanocristales de celulosa y nanofibras de celulosa) para producir la "tinta" con la que imprimir el bioaerogel.
Más del 80 por ciento de agua
Las características de fluidez de la tinta son cruciales en la impresión 3D: Debe ser lo bastante viscosa para mantener una forma tridimensional antes de la solidificación. Al mismo tiempo, sin embargo, debe licuarse bajo presión para que pueda fluir a través de la boquilla. Con la combinación de nanocristales y nanofibras, Sivaraman lo ha conseguido: Las largas nanofibras confieren a la tinta una gran viscosidad, mientras que los cristales, más bien cortos, garantizan un efecto de adelgazamiento por cizallamiento para que fluya más fácilmente durante la extrusión.
En total, la tinta contiene alrededor de un doce por ciento de celulosa y un 88 por ciento de agua. "Hemos conseguido las propiedades requeridas sólo con celulosa, sin aditivos ni cargas", afirma Sivaraman. Esto no sólo es una buena noticia para la biodegradabilidad de los aerogeles finales, sino también para sus propiedades de aislamiento térmico. Para convertir la tinta en aerogel tras la impresión, los investigadores sustituyen el agua disolvente de los poros primero por etanol y luego por aire, todo ello manteniendo la fidelidad de la forma. "Cuanto menos materia sólida contenga la tinta, más poroso será el aerogel resultante", explica Zhao.
Esta elevada porosidad y el pequeño tamaño de los poros convierten a todos los aerogeles en aislantes térmicos extremadamente eficaces. Sin embargo, los investigadores han identificado una propiedad única en el aerogel de celulosa impreso: es anisótropo. Esto significa que su resistencia y conductividad térmica dependen de la dirección. "La anisotropía se debe en parte a la orientación de las fibras de nanocelulosa y en parte al propio proceso de impresión", explica Malfait. Esto permite a los investigadores controlar en qué eje la pieza de aerogel impresa debe ser especialmente estable o especialmente aislante. Estos componentes aislantes tan precisos podrían utilizarse en microelectrónica, donde el calor sólo debe conducirse en una dirección determinada.
Muchas aplicaciones potenciales en medicina
Aunque el proyecto de investigación original, financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), se centraba principalmente en el aislamiento térmico, los investigadores no tardaron en ver otro campo de aplicación para su bioaerogel imprimible: la medicina. Al estar compuesto de celulosa pura, el nuevo aerogel es biocompatible con células y tejidos vivos. Su estructura porosa es capaz de absorber fármacos y liberarlos en el organismo durante un largo periodo de tiempo. Y la impresión 3D ofrece la posibilidad de producir formas precisas que podrían, por ejemplo, servir como andamios para el crecimiento celular o como implantes.
Una ventaja especial es que el aerogel impreso puede rehidratarse y volver a secarse varias veces tras el proceso de secado inicial sin perder su forma ni su estructura porosa. En aplicaciones prácticas, esto facilitaría la manipulación del material: Podría almacenarse y transportarse en seco y sólo empaparse en agua poco antes de su uso. Cuando está seco, no sólo es ligero y cómodo de manejar, sino también menos susceptible a las bacterias, y no hay que protegerlo elaboradamente para que no se seque. "Si se quieren añadir principios activos al aerogel, se puede hacer en el último paso de rehidratación, inmediatamente antes de usarlo", explica Sivaraman. "Así no se corre el riesgo de que el medicamento pierda su eficacia con el tiempo o si se almacena incorrectamente".
Los investigadores también están trabajando en la administración de fármacos a partir de aerogeles en un proyecto de seguimiento, por ahora menos centrado en la impresión 3D. Shanyu Zhao colabora con investigadores de Alemania y España en aerogeles fabricados con otros biopolímeros, como alginato y quitosano, derivados de algas y quitina respectivamente. Mientras tanto, Wim Malfait quiere seguir mejorando el aislamiento térmico de los aerogeles de celulosa. Y Deeptanshu Sivaraman ha terminado su doctorado y desde entonces se ha incorporado a la empresa derivada de Empa Siloxene AG, que crea nuevas moléculas híbridas basadas en el silicio.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Deeptanshu Sivaraman, Yannick Nagel, Gilberto Siqueira, Parth Chansoria, Jonathan Avaro, Antonia Neels, Gustav Nyström, Zhaoxia Sun, Jing Wang, Zhengyuan Pan, Ana Iglesias‐Mejuto, Inés Ardao, Carlos A. García‐González, Mengmeng Li, Tingting Wu, Marco Lattuada, Wim J. Malfait, Shanyu Zhao; "Additive Manufacturing of Nanocellulose Aerogels with Structure‐Oriented Thermal, Mechanical, and Biological Properties"; Advanced Science, 2024-3-13
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