Покращена бактеріальна целюлоза може допомогти створити міцніші та екологічніші матеріали для речей, які ми використовуємо щодня. Оскільки пластикові відходи продовжують накопичуватися по всьому світу, створюючи серйозні екологічні проблеми, дослідники звертаються до природи для пошуку стійких рішень. Максуд Рахман, доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії в Університеті Х’юстона, розробив інноваційний метод перетворення бактеріальної целюлози, біорозкладного матеріалу, на універсальну речовину, яка може служити заміною пластику.
Цей матеріал має потенціал для широкого спектру використання. Незабаром його можна буде використовувати для створення предметів повсякденного вжитку, таких як одноразові пляшки для води, екологічно чиста упаковка та навіть пов’язки для ран. Усі ці застосування залежать від бактеріальної целюлози, природно поширеного та біорозкладного біополімеру, що міститься в навколишньому середовищі.
«Ми передбачаємо, що ці міцні, багатофункціональні та екологічно чисті бактеріальні целюлозні листи стануть повсюдними, замінять пластик у різних галузях промисловості та допоможуть зменшити шкоду для навколишнього середовища», – сказав Рахман, який повідомляє про свою роботу в Nature Communications.
«Ми повідомляємо про просту, одностадійну та масштабовану стратегію «знизу вгору» для біосинтезу міцних бактеріальних целюлозних листів з вирівняними нанофібрилами та багатофункціональними гібридними нанолистами на основі бактеріальної целюлози, використовуючи сили зсуву від потоку рідини в обертовому культиваторі. Отримані бактеріальні целюлозні листи демонструють високу міцність на розтяг, гнучкість, складність, оптичну прозорість та довготривалу механічну стабільність», – сказав Рахман. MASR Сааді, докторант Університету Райса, був першим автором дослідження, а Шьям Бхакта, постдокторант з біологічних наук у Райсі, підтримав біологічну реалізацію.
Підвищення продуктивності за допомогою нанотехнологій
Зростаюче занепокоєння щодо шкідливого впливу нерозкладних матеріалів на основі нафти на навколишнє середовище посилило попит на стійкі альтернативи, такі як природні або біоматеріали. Бактеріальна целюлоза стала потенційним біоматеріалом, який є поширеним у природі, біорозкладним та біосумісним.
Щоб зміцнити целюлозу та створити більше функціональних можливостей, команда включила нанолисти нітриду бору до рідини, яка живить бактерії, та виготовила гібридні нанолисти з бактеріальної целюлози та нітриду бору з ще кращими механічними властивостями (міцність на розрив до ~553 МПа) та тепловими властивостями (втричі швидша швидкість розсіювання тепла порівняно зі зразками).
«Цей масштабований, одностадійний підхід до біовиробництва, що дозволяє отримати вирівняні, міцні та багатофункціональні листи бактеріальної целюлози, прокладе шлях до їх застосування в конструкційних матеріалах, термічному управлінні, упаковці, текстилі, зеленій електроніці та накопиченні енергії», – сказав Рахман. «Ми, по суті, спрямовуємо бактерії до цілеспрямованої поведінки. Замість того, щоб рухатися хаотично, ми керуємо їхнім рухом, щоб вони виробляли целюлозу організовано. Така контрольована поведінка в поєднанні з нашим гнучким методом біосинтезу з різними наноматеріалами дозволяє нам одночасно досягти як структурної вирівняності, так і багатофункціональних властивостей матеріалу».
А під рухом Рахман має на увазі обертання, впровадження спеціально розробленого обертового культивувального пристрою, де целюлозопродукуючі бактерії культивуються в циліндричному киснепроникному інкубаторі, який безперервно обертається за допомогою центрального вала для створення спрямованого потоку рідини. Цей потік забезпечує стабільне спрямоване переміщення бактерій.
«Це значно покращує вирівнювання нанофібрил у масивних бактеріальних целюлозних листах», — сказав Рахман. «Ця робота є втіленням міждисциплінарної науки на перетині матеріалознавства, біології та наноінженерії».