Forscher der North Carolina State University haben am Modell eines kleinen Vogelnestes ein ungiftiges Verfahren zur Herstellung von Zellulosegelen entwickelt. Der Gefrier-Auftau-Prozess ist einfach, kostengünstig und ermöglicht die Herstellung von Zellulosegelen, die für eine Reihe von Anwendungen nützlich sind, darunter auch einstellbare Gele für die zeitgesteuerte Arzneimittelabgabe. Das Verfahren funktioniert auch mit Bambus und möglicherweise anderen ligninhaltigen Pflanzenfasern.
Die Arbeit erscheint in Fortschrittliche Verbundwerkstoffe und Hybridmaterialien. Noureddine Abidi von der Texas Tech University ist Mitautorin der Arbeit.
Zellulose ist ein wunderbares Material für die Herstellung von Hydrogelen, die in Anwendungen wie Kontaktlinsen, Wundversorgung und Medikamentenverabreichung eingesetzt werden. Die Herstellung von Hydrogelen aus Zellulose ist jedoch schwierig, und oft sind die zur Herstellung der Hydrogele verwendeten Prozesse selbst giftig.
„Normalerweise muss man die Cellulose zunächst auflösen und sie dann zur Vernetzung oder Bildung der gewünschten Struktur veranlassen, was oft den Einsatz schwer zu handhabender, instabiler oder giftiger Lösungsmittel erfordert“, sagt Lucian Lucia, Professor für Waldbiomaterialien und Chemie an der NC State und mitkorrespondierender Autor der Arbeit.
Betreten Sie die Familie der schnellen Vögel – kleine Vögel, die beim Bau ihrer Nester Zweige mit ihrem Speichel an Ort und Stelle halten.
„Mein damaliger Doktorand Zhen Zhang bemerkte, dass der Speichel bei Vögeln wie ein natürliches Harz wirkt, das das Nest zusammenhält und die Fasern im Nest dazu anregt, sich zu verbinden oder zu vernetzen“, sagt Lucia. „Genau das wollen wir, dass die gelöste Zellulose bei der Herstellung von Hydrogelen bewirken soll. Also fragten wir uns: ‚Was wäre, wenn wir die Vögel nachahmen?‘“
Zhang, derzeit Postdoc an der Texas Tech University, ist Mitautor.
Die Forscher fügten einer Säurelösung eine wasserlösliche Cellulose namens Carboxymethylcellulose (CMC) hinzu und lösten die CMC auf. Dann fügten sie der Lösung pulverisierte Zellulosefasern hinzu und unterzogen sie vier Runden lang eingefroren und aufgetaut. Das Ergebnis war Cellulosegel.
„Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie dem Wasser ein Verdickungsmittel hinzufügen, wie Sie es bei einer Kuchenfüllung tun würden“, sagt Lucia. „Durch die Änderung des pH-Werts des CMC wird das Wasser im Wesentlichen klebrig. Durch das Einfrieren und Auftauen der Lösung verdichtet sich die Zellulose und verwebt sich in das klebrige Netzwerk, wodurch eine organisiertere Struktur entsteht, genau wie Mauersegler es tun, wenn sie ihre Nester bauen.“ Nur müssen wir dafür weder Schnäbel noch Speichel benutzen.“
Das Gefriertrocknen der Gele führte zu Zelluloseschaum. Die Forscher wiederholten den Vorgang auch mit Bambusfasern, was darauf hindeutet, dass er auch bei vielen anderen lignin- und zellulosehaltigen Fasern nützlich sein könnte.
„Die Cellulosegele sind robust, bei Raumtemperatur stabil und können so eingestellt werden, dass sie nach einem Zeitplan abgebaut werden, sodass sie unter anderem für Anwendungen zur Arzneimittelabgabe nützlich wären“, sagt Lucia. „Dies eröffnet ein vielversprechendes neues Fenster für die Nutzung der Biomimikry, um diese unlöslichen Zellulosematerialien auf umweltfreundlichere Weise zu verarbeiten.“
Mehr Informationen:
Zhen Zhang et al, Eine bioinspirierte „Vogelnest“-Strategie zur Induktion der Zellulosegelierung ohne gleichzeitige Auflösung, Fortschrittliche Verbundwerkstoffe und Hybridmaterialien (2023). DOI: 10.1007/s42114-023-00745-x