Od białek do zmiennokształtnych tworzyw sztucznych
Tworzywa sztuczne są trwałe i lekkie, mają liczne zastosowania w przemyśle medycznym, samochodowym oraz lotniczym, a także w produkcji opakowań. Jednakże mniej niż 10 % tworzyw sztucznych jest poddawane recyklingowi, co przekłada się na zanieczyszczenie środowiska. Potrzebne są zatem tworzywa sztuczne na bazie materiałów pochodzenia naturalnego, które będzie można poddać recyklingowi lub które ulegną rozkładowi. Opracowanie technologii ich produkcji zmniejszyłoby zależność od paliw kopalnych i umożliwiłoby wytwarzanie materiałów o zrównoważonym cyklu życia.
Innowacyjna strategia wytwarzania biotworzyw na bazie białek
W ramach finansowanego ze środków UE projektu 4D-Biogel rozpoczęto produkcję materiałów z wykorzystaniem biodegradowalnych polimerów wytwarzanych z biosurowców. Badania przeprowadzono dzięki wsparciu otrzymanemu w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Opracowano materiały na bazie białek, które emulują funkcje biologiczne i niebiologiczne, w tym właściwości fizyczne, takie jak wytrzymałość mechaniczna”, mówi Haritz Sardon, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”. Innowacyjność strategii 4D-Biogel polega na tym, że badacze wykorzystali zwijanie i rozwijanie białek. Pod wpływem ciepła i wody naukowcy byli w stanie zmienić kształt otrzymanych materiałów, nadając im plastyczność i elastyczność. Kształty materiałów zmieniają się także w czasie.
Albumina surowicy jako nowy substrat bioplastyczny
By pokonać ograniczenia dotyczące przetwarzania i wydajności mechanicznej materiałów, naukowcy wytworzyli żywicę na bazie albuminy surowicy bydlęcej (BSA). BSA jest łatwo dostępnym i niedrogim białkiem, które można łatwo nadrukowywać w celu wytworzenia biotworzyw o użytecznych właściwościach. Materiały na bazie białek wytworzono przy użyciu typu trójwymiarowego druku w wysokiej rozdzielczości, znanego jako stereolitografia ze skanowaniem laserowym, w której światło katalizuje chemiczne usieciowanie żywic białkowych. Zespół odkrył, że naturalny, kulisty kształt cząsteczki BSA został zachowany w wydrukowanych w 3D elementach z biotworzyw. Co ciekawe, białka te można było rozwinąć i wydłużyć po odpowiedniej stymulacji. Taką zmianę kształtu można odwrócić, ogrzewając elementy lub zanurzając je w wodzie, umożliwiając im powrót do pierwotnego kształtu po wydrukowaniu. Naukowcy poszli o krok dalej i połączyli biotworzywa z nanocząstkami złota, które przekształcają nieinwazyjne światło bliskiej podczerwieni w ciepło i zmieniają kształt biotworzyw. „Spodziewamy się, że będzie to miało długotrwały wpływ na wprowadzanie tych materiałów do wnętrza elementów, teraz możemy wywołać tę transformację przy użyciu nieinwazyjnego, wysoce penetrującego źródła światła”, wyjaśnia Sardon.
Ku bardziej ekologicznej obróbce przyrostowej
Do drukowania 3D elementów produkowanych przemysłowo, nazywanego obróbką przyrostową, wykorzystuje się projektowanie wspomagane komputerowo i warstwowo osadza materiał zgodnie z określonym trójwymiarowym modelem. Z tą technologią wiązane są wielkie nadzieje, lecz pozostają jeszcze kwestie dotyczące zrównoważonego rozwoju. Wykorzystanie cząsteczek pochodzenia biologicznego jako surowców do produkcji żywic i tuszy umożliwi recykling materiałów oraz sprawi, że obróbka przyrostowa stanie się bardziej zrównoważona. Wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu 4D-Biogel znacząco przyczyniają się do wprowadzenia bardziej ekologicznej obróbki przyrostowej dzięki umożliwieniu produkcji z biosurowców żywic o właściwościach mechanicznych porównywalnych z komercyjnymi tworzywami sztucznymi. Co ważne, zmiennokształtność biotworzyw na bazie białek to cenna właściwość, którą można wykorzystać przy produkcji wyrobów medycznych, takich jak implanty i stenty. Dzięki dynamicznemu charakterowi materiały te mogą również znaleźć zastosowanie w dziedzinach takich, jak robotyka i bioelektronika.
Słowa kluczowe
4D-Biogel, białka, biotworzywa sztuczne, obróbka przyrostowa, BSA, druk 3D, zmienność kształtu, biodegradowalne, albumina surowicy bydlęcej