Il miracoloso aerogel a base di cellulosa che si stampa in 3D

A prima vista i materiali biodegradabili, gli inchiostri per la stampa 3D e gli aerogel non hanno molto in comune.

Considerati insieme, però, potrebbero avere un enorme potenziale per il futuro: i materiali decomponibili sono un’alternativa a quelli inquinanti, la stampa 3D azzera gli sprechi nella produzione di forme complesse e gli aerogel ultraleggeri sono eccellenti isolanti termici.

I ricercatori dell’EMPA sono riusciti a combinare tutte queste caratteristiche in un unico materiale, un aerogel a base di cellulosa che può essere stampato in 3D e che ha delle proprietà straordinarie.

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Aerogel di cellulosa che si stampa in 3D: lo studio dell’EMPA

Il materiale miracoloso, composto per l’88 per cento di acqua, è stato creato sotto la guida di Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao del laboratorio Building Energy Materials and Components dell’EMPA, in collaborazione con i laboratori Cellulose & Wood Materials e Advanced Analytical Technologies e con il Center for X-ray Analytics.

Zhao e Malfait, insieme ad altri ricercatori, avevano già lavorato alla stampa di aerogel di silice nel 2020, arrivando a sviluppare il primo metodo per modellarli in forme complesse. “Il passo logico successivo è stato applicare la nostra tecnologia di stampa ad aerogel a base biologica meccanicamente più robusti“, spiega il primo.

Gli scienziati hanno scelto come materiale di partenza la cellulosa, il biopolimero più comune sulla Terra. Gli aerogel di cellulosa, si legge nello studio pubblicato su “Advanced Science”, “hanno attirato una notevole attenzione grazie alla loro estesa area superficiale e possono assorbire in maniera efficiente inquinanti, oli e altri contaminanti”. Inoltre possono sopportare grandi deformazioni senza rompersi, cosa che li rende utili per applicazioni come compositi leggeri e impalcature per l’ingegneria dei tessuti.

“Tuttavia, la natura leggera degli aerogel di cellulosa è solitamente debole dal punto di vista meccanico, il che rappresenta una sfida per i metodi convenzionali di produzione di forme e geometrie complesse”: un problema, questo, che gli scienziati hanno risolto grazie alla stampa 3D.

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Come trasformare un inchiostro tridimensionale in aerogel

A partire dalla cellulosa, il carboidrato complesso che conferisce rigidità e resistenza alle pareti cellulari delle piante, si possono ottenere diverse nanoparticelle con semplici passaggi di lavorazione. Il dottorando Deeptanshu Sivaraman ne ha utilizzati due per produrre l'”inchiostro” per la stampa del bio-aerogel: nanocristalli di cellulosa e nanofibre di cellulosa.

Nella stampa 3D, la fluidità dell’inchiostro è fondamentale: il materiale deve essere abbastanza viscoso da restare in posa durante la solidificazione ma deve poter liquefarsi sotto pressione in modo da passare attraverso l’ugello della stampante.

Sivaraman è riuscito nell’impresa proprio grazie alla combinazione di nanocristalli e nanofibre di cellulosa: mentre le lunghe fibre conferiscono viscosità, i cristalli assicurano l’effetto di assottigliamento al taglio (quello per cui la resistenza del fluido diminuisce con l’aumentare dello sforzo di taglio).

L’inchiostro realizzato all’EMPA contiene circa il 12 per cento di cellulosa. Per il restante 88 per cento è composto d’acqua. “Siamo riusciti a ottenere le proprietà richieste con la sola cellulosa, senza additivi o riempitivi“, spiega Sivaraman. Una buona notizia non solo per la biodegradabilità dei prodotti finali, ma anche per le loro proprietà termoisolanti.

Dopo la stampa, l’inchiostro viene trasformato in aerogel: i ricercatori sostituiscono il solvente (l’acqua) prima con l’etanolo e poi con l’aria, mantenendo la fedeltà della forma. “Meno materia solida contiene l’inchiostro, più poroso è l’aerogel risultante“, spiega Zhao.

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Le possibili applicazioni del bio-aerogel stampabile

Tutti gli aerogel sono degli isolanti termici estremamente efficaci, grazie all’elevata porosità e alle piccole dimensioni dei pori. L’aerogel di cellulosa stampato all’EMPA, però, ha anche un’altra proprietà: è anisotropo, ovvero le sue caratteristiche dipendono dalla direzione nella quale è orientato. “L’anisotropia è in parte dovuta all’orientamento delle fibre di nanocellulosa e in parte al processo di stampa stesso“, spiega Malfait.

Questa caratteristica permette ai ricercatori di decidere su quale asse il pezzo di aerogel debba essere più stabile o particolarmente isolante: un componente con queste proprietà potrebbe trovare applicazione nella microelettronica, dove il calore deve essere condotto solo in una certa direzione.

Il progetto di ricerca iniziale, finanziato dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS), era principalmente indirizzato allo studio dell’isolamento termico, ma gli scienziati hanno rapidamente intravisto nuove possibilità per il nuovo bio-aerogel stampabile, a cominciare dalla medicina.

Essendo costituito di pura cellulosa, questo materiale è biocompatibile con tessuti e cellule viventi. La sua struttura porosa lo rende in grado di assorbire i farmaci e di rilasciarli gradualmente nell’organismo, mentre la stampa 3D offre la possibilità di creare forme complesse che potrebbero essere usate come impalcature per la crescita delle cellule o come impianti.

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Prosegue la ricerca: dispositivi medici e altri biopolimeri

Un’altra caratteristica molto promettente del nuovo aerogel è che può essere idratato ed essiccato più volte senza perdere la sua forma o la sua struttura porosa. Questa proprietà renderebbe il materiale molto semplice da maneggiare: quando è secco, non soltanto è leggero e comodo da manipolare, ma è anche meno sensibile ai batteri e non deve essere protetto in modo elaborato dall’essiccazione. Inoltre potrebbe essere immagazzinato e trasportato da asciutto ed essere immerso in acqua soltanto prima dell’uso.

“Se si desidera aggiungere principi attivi all’aerogel, è possibile farlo nella fase finale di reidratazione, immediatamente prima dell’uso”, spiega Sivaraman. “In questo modo non si corre il rischio che il farmaco perda la sua efficacia nel tempo o a causa di una modalità di conservazione non adatta“.

I ricercatori si stanno concentrando sulla somministrazione di farmaci dagli aerogel nell’ambito di un altro progetto, meno incentrato sulla stampa 3D.

Nel frattempo, Shanyu Zhao sta collaborando con ricercatori tedeschi e spagnoli su aerogel realizzati con altri biopolimeri, come l’alginato e il chitosano, derivati rispettivamente dalle alghe e dalla chitina, mentre Wim Malfait sta lavorando al miglioramento dell’isolamento termico negli aerogel di cellulosa. Deeptanshu Sivaraman, che ha completato il suo dottorato, è entrato a far parte dello spin-off dell’EMPA Siloxene AG, che crea nuove molecole ibride basate sul silicio.

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