Научници са Универзитета Рајс и Универзитета у Хјустону развили су иновативан, скалабилан приступ за инжењеринг бактеријске целулозе у материјале високе чврстоће и више функција. Студија, објављена у часопису Nature Communications, представља динамичку технику биосинтезе која у реалном времену поравнава влакна бактеријске целулозе, што резултира робусним биополимерним листовима са изузетним механичким особинама.
Алтернатива пластици која не загађује
Пластично загађење опстаје јер се традиционални синтетички полимери разлажу у микропластику, ослобађајући штетне хемикалије попут бисфенола А (BPA), фталата и канцерогена.
Тражећи одрживе алтернативе, истраживачки тим на челу са Мухамадом Максудом Рахманом, доцентом за машинство и ваздухопловно инжењерство на Универзитету у Хјустону и придруженим доцентом за науку о материјалима и наноинжењеринг на Универзитету Рајс, искористио је бактеријску целулозу – један од најчистијих и најзаступљенијих биополимера на Земљи – као биоразградиву алтернативу.
Ротациони биореактор као кључ напретка
„Наш приступ је укључивао развој ротационог биореактора који усмерава кретање бактерија које производе целулозу, поравнавајући њихово кретање током раста,“ рекао је М.А.С.Р. Саади, први аутор студије и докторанд на смеру за науку о материјалима и наноинжењеринг на Рајсу.
„Ово поравнање значајно побољшава механичка својства микробне целулозе, стварајући материјал јак као неки метали и стакла, али истовремено флексибилан, савитљив, провидан и еколошки прихватљив.“
Контролисана синтеза за изузетну чврстоћу
Влакна бактеријске целулозе обично настају насумично, што ограничава њихову механичку чврстоћу и функционалност. Коришћењем контролисане динамике флуида у свом новаторском биореактору, истраживачи су постигли in situ поравнање целулозних нанофибрила, стварајући листове са затезном чврстоћом до 436 мегапаскала.
Хибридни материјал са побољшаним својствима
Поред тога, увођење нанолистића нитрида бора током синтезе довело је до настанка хибридног материјала са још већом чврстоћом – око 553 мегапаскала – и побољшаним термичким својствима, са три пута бржом дисипацијом топлоте у поређењу са контролним узорцима.
Мултифункционалност кроз прилагодљиву синтезу
„Ова динамична метода биосинтезе омогућава стварање јачих материјала са већим бројем функција,“ истакао је Саади. „Метод омогућава лаку интеграцију различитих наноадитива директно у бактеријску целулозу, што омогућава прилагођавање својстава материјала за конкретне примене.“
Мултидисциплинарна сарадња научника
Шајам Бхакта, постдокторанд на Катедри за бионауке на Рајсу, одиграо је важну улогу у унапређењу биолошких аспеката студије. Међу другим сарадницима са Рајса били су и Пуликел Ајајан, професор за науку о материјалима и наноинжењеринг; Метију Бенет, професор бионаука; и Матео Паскуали, професор хемијског и биомолекуларног инжењеринга.
Бактерије под контролом – нова парадигма производње
„Процес синтезе је у суштини као тренирање дисциплинованог бактеријског пука,“ објаснио је Саади. „Уместо да се бактерије крећу насумично, ми им задајемо смер кретања, чиме прецизно поравнавамо њихову продукцију целулозе. Та дисциплинована путања и свестраност технике биосинтезе омогућавају нам да истовремено инжењеришемо и поравнање и мултифункционалност.“
Одржива технологија за широк спектар индустрија
Овај скалабилни, једностепени процес има велики потенцијал за бројне индустријске примене, укључујући структуралне материјале, решења за управљање топлотом, амбалажу, текстил, зелену електронику и системе за складиштење енергије.
Еколошка визија будућности
„Ово је одличан пример интердисциплинарног истраживања на пресеку науке о материјалима, биологије и наноинжењеринга,“ додао је Рахман. „Замишљамо да ће ови јаки, мултифункционални и еколошки прихватљиви листови бактеријске целулозе постати свеприсутни, заменити пластику у разним индустријама и помоћи у ублажавању еколошке штете.“
