В мире, где пластик стал настоящей проблемой для окружающей среды, профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии из Университета Хьюстона Максуд Рахман разработал способ превращения бактериальной целлюлозы — биоразлагаемого материала — в многофункциональный материал, способный заменить пластик.
Бактериальная целлюлоза может стать основой для одноразовых бутылок для воды, упаковочных материалов и даже перевязочных средств. Всё это будет изготовлено из одного из самых распространённых и биоразлагаемых биополимеров на Земле — бактериальной целлюлозы. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
«Мы видим, как эти прочные, многофункциональные и экологически чистые листы из бактериальной целлюлозы становятся повсеместными, заменяя пластик в различных отраслях и помогая смягчить ущерб, наносимый окружающей среде», — сказал Рахман.
Учёные разработали простой, одноэтапный и масштабируемый метод биосинтеза прочных листов из бактериальной целлюлозы с выровненными нанонитями. Для этого использовались сдвиговые усилия, возникающие при потоке жидкости в устройстве с вращательной культурой.
«Полученные листы из бактериальной целлюлозы демонстрируют высокую прочность на растяжение, гибкость, возможность складывания, оптическую прозрачность и долгосрочную механическую стабильность», — сказал М.А.С.Р. Саади, докторант Университета Райса, который выступил в качестве первого автора исследования. Шьям Бхакта, научный сотрудник в области биологических наук в Райсе, поддержал биологическую реализацию.
Растущая обеспокоенность по поводу вредного воздействия не поддающихся биологическому разложению материалов на основе нефти на окружающую среду усилила спрос на устойчивые альтернативы, такие как натуральные или биоматериалы. Бактериальная целлюлоза стала потенциальным биоматериалом, который в природе встречается в изобилии, биоразлагаем и биосовместим.
Чтобы усилить целлюлозу и придать ей больше функциональных возможностей, команда включила в жидкость, которой питаются бактерии, нитрид бора. В результате были получены гибридные нанолисты из бактериальной целлюлозы и нитрида бора с ещё лучшими механическими свойствами (прочность на растяжение до ~ 553 МПа) и тепловыми свойствами (скорость рассеивания тепла в три раза выше по сравнению с образцами).
«Этот масштабируемый, одноэтапный метод биофабрикации, позволяющий получать выровненные, прочные и многофункциональные листы из бактериальной целлюлозы, откроет путь к применению в конструкционных материалах, управлении теплом, упаковке, текстиле, зелёной электронике и хранении энергии», — сказал Рахман.
«Мы, по сути, заставляем бактерии вести себя целенаправленно. Вместо того чтобы двигаться хаотично, мы направляем их движение, чтобы они производили целлюлозу организованным образом. Это контролируемое поведение в сочетании с нашим гибким методом биосинтеза с использованием различных наноматериалов позволяет нам одновременно достигать структурного выравнивания и многофункциональных свойств материала», — пояснил Рахман.
Учёный имеет в виду вращение бактерий в специально разработанном устройстве для ротационной культуры, где целлюлозообразующие бактерии культивируются в цилиндрическом кислородопроницаемом инкубаторе, непрерывно вращаемом с помощью центрального вала для создания направленного потока жидкости. Этот поток обеспечивает согласованное направленное перемещение бактерий.
«Это значительно улучшает выравнивание нанонитей в объёмных листах из бактериальной целлюлозы», — сказал Рахман. «Эта работа является воплощением междисциплинарной науки на стыке материаловедения, биологии и наноинженерии».
Предоставлено Университетом Хьюстона.