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(noticias nanowerk) Ultraligeros, termoaislantes y biodegradables: los aerogeles a base de celulosa tienen una amplia gama de usos. Los investigadores de Empa han logrado imprimir en 3D el material natural en formas complejas que algún día podrían servir como aislamiento de precisión en microelectrónica o como implantes médicos personalizados.
Su trabajo ha sido publicado en ciencia avanzada (“Fabricación aditiva de aerogeles de nanocelulosa con propiedades térmicas, mecánicas y biológicas orientadas a la estructura”).
![Figuras de aerogel de celulosa impresas en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64965_1.jpg)
A primera vista, los materiales biodegradables, las tintas de impresión 3D y los aerogeles no parecen tener mucho en común. Sin embargo, los tres tienen un gran potencial para el futuro: los materiales “verdes” no contaminan el medio ambiente, la impresión 3D puede utilizarse para producir estructuras complejas sin desperdicio y los aerogeles ultraligeros son excelentes aislantes térmicos. Los investigadores de Empa han logrado combinar todas estas ventajas en un solo material. Y su aerogel a base de celulosa imprimible en 3D puede hacer aún más.
El material fue desarrollado bajo el liderazgo de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait y Shanyu Zhao del laboratorio Empa “Building Energy Materials and Components” en colaboración con los laboratorios “Cellulose & Wood Materials” y “Advanced Analytical Technologies”, así como el Centro de Análisis de rayos X creado. Junto con otros investigadores, Zhao y Malfait ya habían desarrollado un proceso para imprimir aerogeles de sílice en 2020. No es una tarea fácil: los aerogeles de sílice son materiales similares a la espuma, de poros muy abiertos y quebradizos. Antes del desarrollo de Empa, era casi imposible darles formas complejas.
«El siguiente paso lógico era aplicar nuestra tecnología de impresión a aerogeles de base biológica más resistentes mecánicamente», afirma Zhao.
Como material de partida, los investigadores eligieron el biopolímero más común en la tierra: la celulosa. Se pueden obtener varias nanopartículas a partir de este material vegetal mediante sencillos pasos de procesamiento. El estudiante de posgrado Deeptanshu Sivaraman utilizó dos tipos de nanopartículas (nanocristales de celulosa y nanofibras de celulosa) para fabricar la «tinta» para imprimir el bioaerogel.
Más del 80 por ciento de agua
![Dispositivo de aerogel de celulosa impreso en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64965_2.jpg)
Las propiedades de flujo de la tinta son cruciales en la impresión 3D: debe ser lo suficientemente viscosa para mantener una forma tridimensional antes de solidificarse. Pero al mismo tiempo debe licuarse bajo presión para que pueda fluir a través de la boquilla. Con la combinación de nanocristales y nanofibras, Sivaraman ha logrado hacer exactamente eso: las nanofibras largas dan a la tinta una alta viscosidad, mientras que los cristales más bien cortos proporcionan un efecto de adelgazamiento para que fluya más fácilmente cuando se extruye.
En total, la tinta contiene alrededor de un doce por ciento de celulosa y un 88 por ciento de agua. «Pudimos lograr las propiedades requeridas solo con celulosa, sin aditivos ni rellenos», dice Sivaraman. Esta es una buena noticia no sólo para la biodegradabilidad de los productos acabados de aerogel, sino también para sus propiedades de aislamiento térmico. Para convertir la tinta en un aerogel después de la impresión, los investigadores reemplazan el agua solvente de los poros primero con etanol y luego con aire, manteniendo la fidelidad de la forma. «Cuantos menos sólidos contenga la tinta, más poroso será el aerogel resultante», explica Zhao.
Esta alta porosidad y el pequeño tamaño de los poros hacen que todos los aerogeles sean aislantes térmicos extremadamente eficaces. Sin embargo, los investigadores han identificado una propiedad única del aerogel de celulosa impreso: es anisotrópico. Esto significa que su resistencia y conductividad térmica dependen de la dirección.
«La anisotropía se debe en parte a la orientación de las fibras de nanocelulosa y en parte al proceso de impresión en sí», dice Malfait. Esto permite a los investigadores controlar en qué eje la pieza de aerogel impresa debe ser particularmente estable o particularmente aislante. Estos componentes aislantes fabricados con precisión podrían utilizarse en microelectrónica, donde el calor sólo necesita conducirse en una dirección específica.
Muchas aplicaciones posibles en medicina.
Aunque el proyecto de investigación original, financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF), se centraba principalmente en el aislamiento térmico, los investigadores rápidamente vieron otra área de aplicación para su bioaerogel imprimible: la medicina. Al estar hecho de celulosa pura, el nuevo aerogel es biocompatible con células y tejidos vivos. Su estructura porosa es capaz de absorber fármacos y luego liberarlos en el organismo durante un largo período de tiempo. Y la impresión 3D ofrece la posibilidad de producir formas precisas que podrían servir, por ejemplo, como andamios para el crecimiento celular o como implantes.
Una ventaja particular es que el aerogel impreso se puede rehidratar y volver a secar varias veces después del proceso de secado inicial sin perder su forma o estructura porosa. En la práctica, esto haría que el material fuera más fácil de manipular: podría almacenarse y transportarse en un lugar seco y sólo sumergirse en agua poco antes de su uso. Una vez seco, no sólo es ligero y manejable, sino que también es menos susceptible a las bacterias y no necesita una protección excesiva para que no se seque.
«Si desea agregar ingredientes activos al aerogel, puede hacerlo en el paso de rehidratación final inmediatamente antes de su uso», dice Sivaraman. «Entonces no hay riesgo de que el medicamento pierda su eficacia con el tiempo o de que se almacene incorrectamente».
En un proyecto de seguimiento, los investigadores también están trabajando en la administración de fármacos a partir de aerogeles, pero por ahora centrándose menos en la impresión 3D. Shanyu Zhao está trabajando con investigadores de Alemania y España en aerogeles elaborados a partir de otros biopolímeros como el alginato y el quitosano, que se obtienen de algas y quitina, respectivamente. Mientras tanto, a Wim Malfait le gustaría seguir mejorando el aislamiento térmico de los aerogeles de celulosa. Y Deeptanshu Sivaraman completó su doctorado y ahora se unió a la empresa derivada de Empa, Siloxene AG, que produce nuevas moléculas híbridas basadas en silicio.
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