En teknik för att producera ett material från cellulosafibrer som syntetiseras av bakterier kombinerar en hållfasthet som är jämförbar med vissa metaller med hög funktionalitet. Enligt författarna kan det bli standard för nästa generations material som ersätter plast.
Bakteriecellulosa är biologiskt nedbrytbart och har hög renhet, vilket gör det till ett hållbart biomaterial, men traditionellt har dess nanofibrer bildats slumpmässigt i statiska odlingar, vilket har begränsat dess prestanda.
Bakteriell cellulosa är en typ av cellulosafibrer som produceras av vissa mikroorganismer och som utmärks av sin renhet och nanometriska mikrostruktur. Till skillnad från vegetabilisk cellulosa är bakteriell cellulosa extremt ren och biologiskt nedbrytbar och kombinerar hög mekanisk hållfasthet med biokompatibilitet och optisk transparens. Tack vare dessa egenskaper undersöks redan dess användning i medicinska material (som transparenta sårförband) och funktionella filmer. I traditionella odlingsmetoder utan omrörning växer dock cellulosafibrerna oordnat, vilket hindrar att deras inneboende styrka utnyttjas fullt ut.
En roterande bioreaktor styr biosyntesen
En studie publicerad i Nature Communications av ett team från Rice University och University of Houston beskriver utvecklingen av denna roterande bioreaktor och de nya bakteriematerialets enastående egenskaper.
Den viktigaste innovationen i studien var att utforma en roterande cylindrisk bioreaktor som styr flödet av odlingsmediet för att rikta in de cellulosaproducerande bakterierna. Genom att långsamt rotera en syrepermeabel cylinder med odlingsvätskan inuti skapas en ström som får bakterierna att alltid röra sig i samma riktning under sin tillväxt. På detta sätt avsätts cellulosananofibrerna i parallella lager och bildar linjerade skikt med förbättrade egenskaper.
M.A.S.R. Saadi, doktorand vid Rice University och försteförfattare till studien, förklarade: ”Vår strategi innebar att utveckla en roterande bioreaktor som styr rörelsen hos de cellulosaproducerande bakterierna och linjerar deras rörelse under tillväxten. Denna inriktning förbättrar avsevärt cellulosans mekaniska egenskaper, vilket resulterar i ett material med en hållfasthet som är jämförbar med vissa metaller och glas, men som är tillräckligt flexibelt för att kunna vikas och är miljövänligt”.
Ett exceptionellt material: hållfasthet och flexibilitet
Det resulterande materialet är en bakteriecellulosafilm med extraordinär hållfasthet och flexibilitet. Tack vare fiberinriktningen uppnådde draghållfastheten 436 MPa, mer än dubbelt så mycket som med konventionella statiska odlingar. Andra mekaniska egenskaper förbättrades också avsevärt: elasticitetsmodulen och segheten ökade, vilket gör att materialet tål långvarig upprepad användning utan att förlora sin integritet.
Sammanfattningsvis har detta biomaterial följande egenskaper:
- Draghållfasthet på upp till 436 MPa (mer än dubbelt så hög som traditionell bakteriell cellulosa).
- Efter tillsatsen av bornitrid ökar hållfastheten till ~553 MPa.
- Hög flexibilitet och vikbarhet (optisk transparens och flexibilitet, liknande vissa plaster).
- Långsiktig stabilitet: behåller form och hållfasthet efter tusentals belastningscykler.
- Naturlig biologisk nedbrytbarhet, vilket förhindrar att avfallet blir kvar i miljön.
För att utöka materialets funktionalitet tillsatte forskarna ”nanoskivor” av bornitrid (BNNS) till mediet under biosyntesen. Dessa bor-nitrid-skivor ingjöddes jämnt i cellulosamatrisen och flätades fysiskt samman med fibrerna. Resultatet blev ett hybridmaterial med ännu högre hållfasthet (upp till ~553 MPa) och bättre värmeavledning. Lasertester visade att värmeavledningen hos hybridmaterialet var tre gånger högre än hos ren cellulosa, vilket öppnar dörren för tillämpningar där värmekontroll krävs. Dessutom lyckades processen integrera BNNS utan att störa fiberorienteringen, vilket bibehöll materialets transparens och flexibilitet.
Potentiella tillämpningar och framtid
Den beskrivna tekniken är skalbar och mångsidig, eftersom den gör det möjligt att införliva olika nanomaterial vid biosyntesen. Förutom BNNS skulle man till exempel kunna använda nanopartiklar av grafen, lera eller andra tillsatser för att ge materialet elektrisk ledningsförmåga, brandbeständighet eller andra specifika funktioner. Det mest framträdande är att processen i ett enda steg möjliggör både hög hållfasthet genom fiberinriktning och önskad funktionalisering.
Detta tillvägagångssätt lovar att revolutionera flera industrisektorer. Laminat av inriktad bakteriecellulosa skulle kunna användas i tillämpningar såsom:
- Struktur- och byggmaterial, som ersättning för plast eller till och med lätta metallkomponenter.
- Värmehantering i elektroniska apparater eller kylflänsar, tack vare den förbättrade värmeledningsförmågan.
- Hållbara förpackningar, som erbjuder plastens hållfasthet utan dess miljöpåverkan.
- Avancerade textilier och grön elektronik, där det krävs en balans mellan styrka och flexibilitet.
- Energilagringssystem (batterier eller superkondensatorer), som utnyttjar deras låga vikt och robusthet.
Författarna till studien framhåller att de nya bakteriearket skulle kunna komma att ersätta plast i flera branscher. Även om storskalig produktion fortfarande behöver optimeras, utgör denna strategi för kontrollerad biosyntes en lovande väg mot biologiskt nedbrytbara och miljövänliga material som minskar plastföroreningarna.
