打印出来的物体可以多次补水和干燥而不会变形，或者可以制成疏水性的。图片来源：Empa

乍一看，可生物降解材料、3D 打印油墨和气凝胶似乎没有太多共同之处。这三者都具有巨大的未来潜力；然而，“绿色”材料不会污染环境，3D 打印可以生产复杂结构而不会产生浪费，超轻气凝胶是极好的隔热材料。

Empa 研究人员现已成功将所有这些优势结合到一种材料中。而他们基于纤维素的 3D 打印气凝胶的功能甚至更多。这项研究发表在《Advanced Science》上。

该材料是在 Empa 建筑能源材料和组件实验室的 Deeptanshu Sivaraman、Wim Malfait 和 Shanyu Zhao 的领导下，与纤维素和木材材料实验室、先进分析技术实验室以及 X 射线分析中心合作开发的。

2020 年，赵和其他研究人员已经开发出一种打印二氧化硅气凝胶的工艺。这绝非易事：二氧化硅气凝胶是一种泡沫状材料，多孔且易碎。在 Empa 开发之前，将它们塑造成复杂的形状几乎是不可能的。“将我们的打印技术应用于机械性能更强大的生物基气凝胶是合乎逻辑的下一步，”赵说。

研究人员选择了地球上最常见的生物聚合物作为起始材料：纤维素。通过简单的加工步骤，可以从这种植物材料中获得各种纳米颗粒。博士生 Sivaraman 使用两种类型的纳米颗粒——纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维——来生产用于打印生物气凝胶的“墨水”。

复杂而轻便：Empa 研究人员开发出一种可生物降解纤维素气凝胶的 3D 打印工艺。图片来源：Empa

超过80％的水

墨水的流动特性对于 3D 打印至关重要：它必须足够粘稠，以便在凝固之前保持三维形状。但同时，它应该在压力下液化，以便能够流过喷嘴。通过纳米晶体和纳米纤维的结合，Sivaraman 成功做到了这一点：长纳米纤维使墨水具有高粘度，而相当短的晶体确保它具有剪切稀化效应，使其在挤出过程中更容易流动。

总的来说，这种墨水含有约 12% 的纤维素和 88% 的水。“我们能够仅使用纤维素实现所需的特性，而无需任何添加剂或填料，”Sivaraman 说。这不仅对最终气凝胶产品的生物降解性来说是个好消息，而且对其隔热性能来说也是如此。为了在打印后将墨水变成气凝胶，研究人员首先用乙醇代替孔隙溶剂水，然后用空气代替，同时保持形状保真度。“墨水中含有的固体物质越少，产生的气凝胶就越多孔，”赵解释说。

这种高孔隙率和小孔径使所有气凝胶都成为非常有效的隔热材料。然而，研究人员在印刷纤维素气凝胶中发现了一种独特的特性：它是各向异性的。这意味着它的强度和导热性与方向有关。

“各向异性部分归因于纳米纤维素纤维的方向，部分归因于打印过程本身，”Malfait 说道。这使得研究人员能够控制打印的气凝胶片在哪个轴上特别稳定或特别绝缘。这种精确制作的绝缘组件可用于微电子领域，其中热量只能沿特定方向传导。

在医学上有许多潜在的应用

尽管最初的研究项目主要关注的是隔热，但研究人员很快发现了可打印生物气凝胶的另一个应用领域：医学。由于新气凝胶由纯纤维素组成，因此与活体组织和细胞具有生物相容性。

其多孔结构能够吸收药物，然后在很长一段时间内将其释放到体内。3D 打印技术可以制造出精确的形状，例如，可以用作细胞生长的支架或植入物。

一个特别的优点是，打印的气凝胶在初始干燥过程之后可以重新水化并重新干燥几次，而不会失去其形状或多孔结构。在实际应用中，这将使材料更易于处理：它可以以干燥形式储存和运输，并且仅在使用前不久浸泡在水中。

干燥后，它不仅轻便、方便使用，而且不易受细菌感染，也不需要精心保护以防干燥。“如果你想在气凝胶中添加活性成分，可以在使用前的最后一步补水时完成，”Sivaraman 说。“这样，你就不会冒药物随着时间的推移而失去效力或储存不当的风险。”

研究人员还在后续项目中研究气凝胶药物输送，目前重点较少放在 3D 打印上。赵善宇正在与德国和西班牙的研究人员合作，研究由其他生物聚合物制成的气凝胶，例如分别来自藻类和几丁质的海藻酸盐和壳聚糖。

与此同时，Wim Malfait 希望进一步提高纤维素气凝胶的隔热性能。Deeptanshu Sivaraman 已获得博士学位，并加入了 Empa 的子公司 Siloxene AG，该公司致力于研发基于硅的新型混合分子。