Wunderstoff: Cellulose-Aerogel vereint Nachhaltigkeit mit Hightech

Das Team um Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait und Shanyu Zhao nutzte Cellulose, den häufigsten Biopolymer der Erde, als Ausgangsmaterial. Durch einfache Verfahren konnten daraus Nanopartikel gewonnen werden. Genauer gesagt, verwendete man zwei Arten von Nanopartikeln: Cellulose-Nanokristalle und Cellulose-Nanofasern. Diese bilden die Grundlage für die Tinte zum 3D-Druck des Bio-Aerogels.

Entscheidend für den Druckprozess sind die Fließeigenschaften der Tinte. Sie muss einerseits fest genug sein, um die dreidimensionale Form beizubehalten. Andererseits muss sie unter Druck fließfähig werden, um durch die Düse zu gelangen. Durch die Kombination der beiden Nanostrukturen wird genau das erreicht: Die langen Nanofasern sorgen für die hohe Viskosität, während die kürzeren Kristalle eine verdünnende Wirkung haben und das Fließen beim Druck erleichtern.

Nach dem Druck wird das Wasser in den Poren schrittweise durch Ethanol und anschließend durch Luft ersetzt, wobei die Form erhalten bleibt. Je weniger Feststoff die Tinte enthält, desto poröser wird das resultierende Aerogel.

Diese hohe Porosität und die winzigen Poren machen alle Aerogele zu extrem guten Wärmeisolatoren. Die Forschenden stellten beim Cellulose-Aerogel jedoch eine besondere Eigenschaft fest: seine Anisotropie. "Die Anisotropie ist zum Teil auf die Ausrichtung der Nanocellulosefasern und zum Teil auf den Druckprozess selbst zurückzuführen", erklärt Malfait. Dadurch kann man gezielt steuern, in welcher Achse das gedruckte Aerogelstück besonders stabil oder besonders isolierend sein soll. Solche maßgeschneiderten Isolationskomponenten könnten beispielsweise in der Mikroelektronik zum Einsatz kommen, wo Wärme nur in eine bestimmte Richtung geleitet werden soll.

Obwohl der Schwerpunkt des Forschungsprojekts auf der Wärmeisolierung lag, sehen die Forschenden ein weiteres Anwendungsgebiet für ihr druckbares Bio-Aerogel: die Medizin. Da es aus reiner Cellulose besteht, ist das neue Aerogel biokompatibel mit lebenden Geweben und Zellen. Seine poröse Struktur kann Medikamente aufnehmen und über einen langen Zeitraum an den Körper abgeben. Gleichzeitig ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung präziser Formen, die beispielsweise als Gerüste für das Zellwachstum oder als Implantate dienen könnten.

Besonders interessant ist die Mehrfach-Rehydrierbarkeit des gedruckten Aerogels. In der Praxis würde dies die Handhabung des Materials erleichtern: Es könnte in trockener Form gelagert und transportiert und erst kurz vor dem Einsatz in Wasser eingeweicht werden. Im trockenen Zustand ist es nicht nur leicht und handlich, sondern auch weniger anfällig für Bakterien und muss nicht aufwendig vor dem Austrocknen geschützt werden. Wirkstoffe können dem Aerogel erst im letzten Rehydrierungsschritt unmittelbar vor der Verwendung zugesetzt werden.

COMPAMED.de; Quelle: Empa