Naučnici sa Univerziteta Rajs i Univerziteta u Hjustonu razvili su inovativan, skalabilan pristup za inženjering bakterijske celuloze u materijale visoke čvrstoće i više funkcija. Studija, objavljena u časopisu Nature Communications, predstavlja dinamičku tehniku biosinteze koja u realnom vremenu poravnava vlakna bakterijske celuloze, što rezultira robusnim biopolimernim listovima sa izuzetnim mehaničkim osobinama.
Alternativa plastici koja ne zagađuje
Plastično zagađenje opstaje jer se tradicionalni sintetički polimeri razlažu u mikroplastiku, oslobađajući štetne hemikalije poput bisfenola A (BPA), ftalata i kancerogena.
Tražeći održive alternative, istraživački tim na čelu sa Muhamadom Maksudom Rahmanom, docentom za mašinstvo i vazduhoplovno inženjerstvo na Univerzitetu u Hjustonu i pridruženim docentom za nauku o materijalima i nanoinženjering na Univerzitetu Rajs, iskoristio je bakterijsku celulozu – jedan od najčistijih i najzastupljenijih biopolimera na Zemlji – kao biorazgradivu alternativu.
Rotacioni bioreaktor kao ključ napretka
„Naš pristup je uključivao razvoj rotacionog bioreaktora koji usmerava kretanje bakterija koje proizvode celulozu, poravnavajući njihovo kretanje tokom rasta,“ rekao je M.A.S.R. Saadi, prvi autor studije i doktorand na smeru za nauku o materijalima i nanoinženjering na Rajsu.
„Ovo poravnanje značajno poboljšava mehanička svojstva mikrobne celuloze, stvarajući materijal jak kao neki metali i stakla, ali istovremeno fleksibilan, savitljiv, providan i ekološki prihvatljiv.“
Kontrolisana sinteza za izuzetnu čvrstoću
Vlakna bakterijske celuloze obično nastaju nasumično, što ograničava njihovu mehaničku čvrstoću i funkcionalnost. Korišćenjem kontrolisane dinamike fluida u svom novatorskom bioreaktoru, istraživači su postigli in situ poravnanje celuloznih nanofibrila, stvarajući listove sa zateznom čvrstoćom do 436 megapaskala.
Hibridni materijal sa poboljšanim svojstvima
Pored toga, uvođenje nanolistića nitrida bora tokom sinteze dovelo je do nastanka hibridnog materijala sa još većom čvrstoćom – oko 553 megapaskala – i poboljšanim termičkim svojstvima, sa tri puta bržom disipacijom toplote u poređenju sa kontrolnim uzorcima.
Multifunkcionalnost kroz prilagodljivu sintezu
„Ova dinamična metoda biosinteze omogućava stvaranje jačih materijala sa većim brojem funkcija,“ istakao je Saadi. „Metod omogućava laku integraciju različitih nanoaditiva direktno u bakterijsku celulozu, što omogućava prilagođavanje svojstava materijala za konkretne primene.“
Multidisciplinarna saradnja naučnika
Šajam Bhakta, postdoktorand na Katedri za bionauke na Rajsu, odigrao je važnu ulogu u unapređenju bioloških aspekata studije. Među drugim saradnicima sa Rajsa bili su i Pulikel Ajajan, profesor za nauku o materijalima i nanoinženjering; Metiju Benet, profesor bionauka; i Mateo Paskuali, profesor hemijskog i biomolekularnog inženjeringa.
Bakterije pod kontrolom – nova paradigma proizvodnje
„Proces sinteze je u suštini kao treniranje disciplinovanog bakterijskog puka,“ objasnio je Saadi. „Umesto da se bakterije kreću nasumično, mi im zadajemo smer kretanja, čime precizno poravnavamo njihovu produkciju celuloze. Ta disciplinovana putanja i svestranost tehnike biosinteze omogućavaju nam da istovremeno inženjerišemo i poravnanje i multifunkcionalnost.“
Održiva tehnologija za širok spektar industrija
Ovaj skalabilni, jednostepeni proces ima veliki potencijal za brojne industrijske primene, uključujući strukturalne materijale, rešenja za upravljanje toplotom, ambalažu, tekstil, zelenu elektroniku i sisteme za skladištenje energije.
Ekološka vizija budućnosti
„Ovo je odličan primer interdisciplinarnog istraživanja na preseku nauke o materijalima, biologije i nanoinženjeringa,“ dodao je Rahman. „Zamišljamo da će ovi jaki, multifunkcionalni i ekološki prihvatljivi listovi bakterijske celuloze postati sveprisutni, zameniti plastiku u raznim industrijama i pomoći u ublažavanju ekološke štete.“
