Celulose arejada de uma impressora 3D

À primeira vista, materiais biodegradáveis, tintas para impressão 3D e aerogéis não parecem ter muito em comum. Todos os três têm um grande potencial para o futuro; entretanto, os materiais “verdes” não poluem o meio ambiente, a impressão 3D pode produzir estruturas complexas sem desperdício e os aerogéis ultraleves são excelentes isolantes térmicos.

Os pesquisadores da Empa conseguiram agora combinar todas essas vantagens em um único material. E seu aerogel à base de celulose, imprimível em 3D, pode fazer ainda mais. O estudo é publicado em Ciência Avançada.

O material foi criado sob a liderança de Deeptanshu Sivaraman, Wim Malfait e Shanyu Zhao do laboratório de Materiais e Componentes Energéticos de Construção da Empa, em colaboração com os laboratórios de Materiais de Celulose e Madeira e Tecnologias Analíticas Avançadas, bem como o Centro de Análise de Raios-X.

Juntamente com outros pesquisadores, Zhao e Malfait já haviam desenvolvido um processo para impressão de aerogéis de sílica em 2020. Esta não foi uma tarefa trivial: os aerogéis de sílica são materiais semelhantes a espuma, altamente porosos e quebradiços. Antes do desenvolvimento do Empa, moldá-los em formas complexas era praticamente impossível. “Foi o próximo passo lógico aplicar nossa tecnologia de impressão a aerogéis de base biológica mecanicamente mais robustos”, diz Zhao.

Os pesquisadores escolheram o biopolímero mais comum na Terra como matéria-prima: a celulose. Várias nanopartículas podem ser obtidas a partir deste material vegetal usando etapas simples de processamento. O estudante de doutorado Sivaraman usou dois tipos dessas nanopartículas – nanocristais de celulose e nanofibras de celulose – para produzir a “tinta” para imprimir o bioaerogel.

Mais de 80% de água

As características de fluxo da tinta são cruciais na impressão 3D: ela deve ser suficientemente viscosa para manter uma forma tridimensional antes da solidificação. Ao mesmo tempo, porém, deve liquefazer-se sob pressão para que possa fluir através do bocal. Com a combinação de nanocristais e nanofibras, Sivaraman conseguiu fazer exatamente isso: as nanofibras longas conferem à tinta uma alta viscosidade, enquanto os cristais bastante curtos garantem que ela tenha um efeito de afinamento por cisalhamento para que flua mais facilmente durante a extrusão.

No total, a tinta contém cerca de 12% de celulose – e 88% de água. “Conseguimos atingir as propriedades exigidas apenas com celulose, sem quaisquer aditivos ou cargas”, diz Sivaraman. Isto não é apenas uma boa notícia para a biodegradabilidade dos produtos finais de aerogel, mas também para as suas propriedades de isolamento térmico. Para transformar a tinta em aerogel após a impressão, os pesquisadores substituem a água do solvente dos poros primeiro por etanol e depois por ar, mantendo a fidelidade da forma. “Quanto menos matéria sólida a tinta contém, mais poroso é o aerogel resultante”, explica Zhao.

Esta alta porosidade e o pequeno tamanho dos poros tornam todos os aerogéis isolantes térmicos extremamente eficazes. No entanto, os pesquisadores identificaram uma propriedade única no aerogel de celulose impressa: é anisotrópico. Isso significa que sua resistência e condutividade térmica dependem da direção.

“A anisotropia se deve em parte à orientação das fibras de nanocelulose e em parte ao próprio processo de impressão”, diz Malfait. Isto permite aos investigadores controlar em que eixo a peça de aerogel impressa deve ser particularmente estável ou particularmente isolante. Esses componentes isolantes fabricados com precisão poderiam ser usados ​​em microeletrônica, onde o calor só deveria ser conduzido em uma determinada direção.

Muitas aplicações potenciais na medicina

Embora o projeto de pesquisa original estivesse principalmente interessado em isolamento térmico, os pesquisadores rapidamente viram outra área de aplicação para seu bioaerogel imprimível: a medicina. Por ser composto de celulose pura, o novo aerogel é biocompatível com tecidos e células vivas.

Sua estrutura porosa é capaz de absorver medicamentos e liberá-los no corpo por um longo período de tempo. E a impressão 3D oferece a possibilidade de produzir formas precisas que poderiam, por exemplo, servir como suportes para o crescimento celular ou como implantes.

Uma vantagem particular é que o aerogel impresso pode ser reidratado e seco novamente várias vezes após o processo de secagem inicial sem perder a sua forma ou estrutura porosa. Em aplicações práticas, isso tornaria o material mais fácil de manusear: ele poderia ser armazenado e transportado seco e apenas embebido em água pouco antes do uso.

Quando seco, não é apenas leve e fácil de manusear, mas também menos suscetível a bactérias – e não precisa ser cuidadosamente protegido contra ressecamento. “Se você quiser adicionar princípios ativos ao aerogel, isso pode ser feito na etapa final de reidratação, imediatamente antes do uso”, diz Sivaraman. “Assim você não corre o risco do medicamento perder a eficácia com o tempo ou se for armazenado de forma incorreta”.

Os pesquisadores também estão trabalhando na entrega de medicamentos a partir de aerogéis em um projeto de acompanhamento – com menos foco na impressão 3D por enquanto. Shanyu Zhao está colaborando com pesquisadores da Alemanha e da Espanha em aerogéis feitos de outros biopolímeros, como alginato e quitosana, derivados de algas e quitina, respectivamente.

Enquanto isso, Wim Malfait quer melhorar ainda mais o isolamento térmico dos aerogéis de celulose. E Deeptanshu Sivaraman concluiu seu doutorado e desde então ingressou na Siloxene AG, spin-off da Empa, que cria novas moléculas híbridas baseadas em silício.