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Empa的建筑能源材料和组件实验室的Deeptanshu Sivaraman、Wim Malfait和Shanyu Zhao领导下，与纤维素与木材材料和先进分析技术实验室以及X射线分析中心合作，成功地将可生物降解材料、3D打印和超轻气凝胶融合到了一种单一的基于纤维素的可3D打印材料中。这种“奇迹材料”是在这些研究人员的领导下创造的。
Zhao和Malfait与其他研究人员在2020年已经开发出了一种打印二氧化硅气凝胶的工艺。二氧化硅气凝胶是一种类似泡沫的材料，具有开放的、多孔的和脆弱的特点。在Empa的开发之前，将它们塑造成复杂形式几乎是不可能的。“将我们的打印技术应用于机械性能更强的基于生物的气凝胶是合乎逻辑的下一步，”Zhao表示。
研究人员选择了纤维素，这是地球上最常见的生物聚合物，作为他们的起始材料。可以使用简单的加工步骤从这种植物基材料中获得各种纳米颗粒。博士生Deeptanshu Sivaraman使用了两种这样的纳米颗粒——纤维素纳米晶和纤维素纳米纤维——来制备用于打印生物气凝胶的“墨水”。
超过80%的水
为了能够进行3D打印，墨水在固化之前必须具有足够的粘稠度以保持三维形状。与此同时，它应该在压力下变得液态，以便能够通过喷嘴流动。通过纳米晶和纳米纤维的组合，Sivaraman成功做到了这一点——纳米纤维赋予墨水高粘度，而较短的纳米晶确保了它具有剪切稀释效应，使其在挤出过程中更容易流动。
总的来说，墨水中含有约12%的纤维素和88%的水。“我们能够仅凭纤维素就实现所需的性能，而无需任何添加剂或填料，”Sivaraman表示。这不仅对最终气凝胶产品的生物降解性是个好消息，而且对其隔热性能也是如此。为了在打印后将墨水转变为气凝胶，研究人员首先用乙醇然后用空气取代了孔溶剂水——而且还保持了形状的保真度。“墨水含有的固体物质越少，得到的气凝胶就越多孔，”Zhao表示。
这种高多孔性和小孔的尺寸使得气凝胶成为极其有效的隔热材料。然而，研究人员在打印的纤维素气凝胶中发现了一个独特的特性——它是各向异性的——这意味着它的强度和导热性取决于方向。“这种各向异性部分是由于纳米纤维的取向，部分是由于打印过程本身，”Malfait表示。这种精确制作的隔热组件可以用于微电子学领域，其中热量只应在特定方向传导。
医疗应用
尽管最初由瑞士国家科学基金会（SNSF）资助的研究项目主要关注热隔离，但研究人员很快看到了可打印的生物气凝胶在医学领域的另一个应用领域。由于它由纯纤维素组成，新型气凝胶与活体组织和细胞具有生物相容性。其多孔结构能够吸收药物，然后在长时间内释放到体内。3D打印提供了生产精确形状的可能性，例如可以用作细胞生长的支架或植入物。
一个特别的优势是，打印的气凝胶可以在初始干燥过程后重新水化和再次干燥多次，而不会失去其形状或多孔结构。在实际应用中，这将使材料更容易处理，因为它可以干燥存放和运输，并且在使用前只需短暂浸泡在水中。在干燥时，它不仅轻便方便，而且不太容易受细菌影响，也不需要复杂的保护措施防止干燥。“如果你想向气凝胶中添加活性成分，这可以在最终的再水化步骤中立即完成，”Sivaraman表示。“那么你就不会面临药物随时间推移或存储不当而失去效力的风险。”
研究人员还在进行关于气凝胶药物释放的后续项目，目前不太关注3D打印。Shanyu Zhao正在与德国和西班牙的研究人员合作，研究由其他生物聚合物制成的气凝胶，例如从藻类和壳聚糖中提取的海藻酸盐和壳聚糖。与此同时，Wim Malfait希望进一步改进纤维素气凝胶的隔热性能。Deeptanshu Sivaraman已经完成了博士学位，并加入了Empa的衍生公司Siloxene AG，该公司基于硅创建新的混合分子。
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