Los investigadores de Empa han logrado combinar todas estas ventajas en un solo material. Y su aerogel imprimible en 3D a base de celulosa puede hacer aún más. El estudio se publica en Advanced Science .

El material fue creado bajo el liderazgo de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait y Shanyu Zhao del laboratorio de Materiales y Componentes Energéticos para la Construcción de Empa, en colaboración con los laboratorios de Materiales de Celulosa y Madera y Tecnologías Analíticas Avanzadas, así como con el Centro de Análisis de Rayos X. /P>

Junto con otros investigadores, Zhao y Malfait ya habían desarrollado un proceso para imprimir aerogeles de sílice en 2020. No era una tarea trivial:los aerogeles de sílice son materiales similares a la espuma, muy porosos y quebradizos. Antes del desarrollo de Empa, darles formas complejas había sido prácticamente imposible. "El siguiente paso lógico era aplicar nuestra tecnología de impresión a aerogeles de base biológica mecánicamente más robustos", afirma Zhao.

Los investigadores eligieron como material de partida el biopolímero más común en la Tierra:la celulosa. Se pueden obtener varias nanopartículas a partir de este material de origen vegetal mediante sencillos pasos de procesamiento. El estudiante de doctorado Sivaraman utilizó dos tipos de nanopartículas (nanocristales de celulosa y nanofibras de celulosa) para producir la "tinta" para imprimir el bioaerogel.

Más del 80% de agua

Las características de flujo de la tinta son cruciales en la impresión 3D:debe ser lo suficientemente viscosa para mantener una forma tridimensional antes de solidificarse. Al mismo tiempo, sin embargo, debe licuarse bajo presión para que pueda fluir a través de la boquilla. Con la combinación de nanocristales y nanofibras, Sivaraman logró hacer precisamente eso:las nanofibras largas dan a la tinta una alta viscosidad, mientras que los cristales más bien cortos aseguran que tenga un efecto de adelgazamiento para que fluya más fácilmente durante la extrusión.

En total, la tinta contiene alrededor de un 12% de celulosa y un 88% de agua. "Pudimos conseguir las propiedades necesarias solo con celulosa, sin aditivos ni rellenos", afirma Sivaraman. Esto no sólo es una buena noticia para la biodegradabilidad de los productos finales de aerogel, sino también para sus propiedades de aislamiento térmico. Para convertir la tinta en un aerogel después de la impresión, los investigadores reemplazan el agua solvente de los poros primero con etanol y luego con aire, todo ello manteniendo la fidelidad de la forma. "Cuanto menos materia sólida contenga la tinta, más poroso será el aerogel resultante", explica Zhao.

Esta alta porosidad y el pequeño tamaño de los poros hacen que todos los aerogeles sean aislantes térmicos extremadamente eficaces. Sin embargo, los investigadores han identificado una propiedad única en el aerogel de celulosa impreso:es anisotrópico. Esto significa que su resistencia y conductividad térmica dependen de la dirección.

"La anisotropía se debe en parte a la orientación de las fibras de nanocelulosa y en parte al proceso de impresión en sí", dice Malfait. Esto permite a los investigadores controlar en qué eje la pieza de aerogel impresa debe ser particularmente estable o particularmente aislante. Estos componentes aislantes fabricados con precisión podrían usarse en microelectrónica, donde el calor solo debe conducirse en una dirección determinada.

Muchas aplicaciones potenciales en medicina

Aunque el proyecto de investigación original estaba interesado principalmente en el aislamiento térmico, los investigadores rápidamente vieron otra área de aplicación para su bioaerogel imprimible:la medicina. Al estar compuesto de celulosa pura, el nuevo aerogel es biocompatible con células y tejidos vivos.

Su estructura porosa es capaz de absorber fármacos y luego liberarlos en el organismo durante un largo período de tiempo. Y la impresión 3D ofrece la posibilidad de producir formas precisas que podrían, por ejemplo, servir como soporte para el crecimiento celular o como implantes.

Una ventaja particular es que el aerogel impreso se puede rehidratar y volver a secar varias veces después del proceso de secado inicial sin perder su forma o estructura porosa. En aplicaciones prácticas, esto haría que el material fuera más fácil de manipular:podría almacenarse y transportarse en forma seca y sólo remojarse en agua poco antes de su uso.

Cuando está seco, no sólo es liviano y cómodo de manejar, sino que también es menos susceptible a las bacterias y no es necesario protegerlo de manera elaborada para que no se seque. "Si desea agregar ingredientes activos al aerogel, puede hacerlo en el paso de rehidratación final inmediatamente antes de su uso", dice Sivaraman. "Así no corres el riesgo de que el medicamento pierda su eficacia con el tiempo o si se almacena incorrectamente."

Los investigadores también están trabajando en la administración de fármacos a partir de aerogeles en un proyecto de seguimiento, centrándose menos en la impresión 3D por ahora. Shanyu Zhao está colaborando con investigadores de Alemania y España en aerogeles elaborados a partir de otros biopolímeros, como el alginato y el quitosano, derivados de algas y quitina, respectivamente.

Mientras tanto, Wim Malfait quiere mejorar aún más el aislamiento térmico de los aerogeles de celulosa. Y Deeptanshu Sivaraman completó su doctorado y desde entonces se unió a la empresa derivada de Empa, Siloxene AG, que crea nuevas moléculas híbridas basadas en silicio.