Сингапурські матеріалознавці змогли перетворити пилок соняшника на чорнила для 3D-принтера, які сумісні з матеріалами для друку та зробили гідрогелевий каркас міцнішим. З пилку вдалося створити два види чорнил: рідкі альгінатні та пластичні силіконові. Технологія виготовлення таких біочорнил екологічно чиста і вимагає всього шести годин розчинення пилку у лужному середовищі гідроксиду калію, де той пом'якшується. Про створення таких рослинних чорних вчені повідомили у Advanced Functional Materials.
Shengyang Chen et al. / Advanced Functional Materials, 2021
Навіщо потрібні соняшникові чорнила?
Серед методів 3D-друку найбільший потенціал зокрема для медицини має створення конструкцій прямим нанесенням чорнил (Direct Ink Writing або DIW). Так створюються найрізноманітніші форми, а сама технологія дає змогу друкувати живими клітинами, адже можливо використовувати гідрогель як матеріал. Він біосумісний, в'язкий, добре тримає структуру та може імітувати більшість біологічних м'яких тканин. Надруковані на 3D-принтері гідрогелеві каркаси забезпечують сприятливі умови для прикріплення і розвитку клітин, оскільки такі налаштовувані тривимірні мережі надають достатньо місця для утворення клітинних кластерів, полегшуючи циркуляцію основних метаболітів і поживних речовин для них. Тож зазвичай, якщо йдеться про біосенсори та медичні нанотехнології, наприклад, для моніторингу роботи мозку, то йдеться про друковані на 3D-принтері гідрогелеві структури.
Однак, гідрогель все ж потребує для друку армуючих елементів як-то частинок, анізотропних наповнювачів і волокон. Вони дають змогу полегшити процес виготовлення конструкцій та допомагають їм краще переносити умови навколишнього середовища. Але знайти вдалий матеріал складно, адже він має не погіршувати якостей гідрогелю (а бажано покращувати), бути хімічно і структурно стабільним, а розмір давати змогу друкувати невеликі елементи з високою точністю. У цій роботі вчені вирішили знайти ще й екологічний матеріал для армування гідрогелю та розробили суспензію із пилку соняшника. За їхніми словами, враховуючи простоту виготовлення такого мікрогелю (всього один виробничий етап), а також відновлюваність сировини, цей підхід зможе замінити більшість використовуваних наразі матеріалів.
Мікрогель з пилку. Shengyang Chen et al. / Advanced Functional Materials, 2021
Як перетворити квіти на чорнила?
По суті пилок рослин — це монодисперсні капсули, які розрізняються за структурою залежно від виду рослин-запилювачів. За словами вчених, вони є ідеальними завдяки своїй структурній однорідності і звісно білсумісності, що також полегшує виробничий процес. Наприклад, вони добре реагують на етилендіамінтетраоцтову кислоту (ЕДТА), а отже можуть грати роль інтелектуальних носіїв ліків для композитних гідрогелевих каркасів. У своїй роботі вчені шість годин розм'якшували їх у гідроксиді калію та змішували отриману речовину з гідрогелем. Середній діаметр частинок пилку становив близько 30 мікрометрів, що дають змогу значно покращити роздільну здатність друку. До прикладу, гідрогелі на основі альгінату містили зерна діаметром у 250. Завдяки меншому набуханні у воді, до половини об'єму, порівняно з гідрогелем без домішок, каркас із пилком також демонструє кращу структурну стабільність і дає змогу працювати із 3D-принтером за швидкості подачі 1,5 міліметра на секунду.
Надруковані пилковими чорнилами конструкції.Shengyang Chen et al. / Advanced Functional Materials, 2021
Що вдалося надрукувати?
Змінюючи вміст пилку у суміші дослідники отримали два типи чорнил: рідкі альгінатні та більш в'язкі силіконові, з яких друкували складні тривимірні структури, які затвердівали під дією температур. Щоб продемонструвати можливість створення складних багатокомпонентних матриць, вони надрукували чорнилами китайське слово, що у перекладі означає пилок, та містить всього сімнадцять штрихів складної форми, які вдалося створити з діаметром у 500 мікрометрів всього за один прохід сопла принтера. Також вони створили кілька твердих структур, а зокрема тривимірну ліктьову пов'язку, яка виявилась достатньо міцною і змогла адаптуватися до кривизни ліктя людини. Загалом всі зразки показали хорошу стійкість до умов навколишнього середовища та зберігали характеристики до температури у 200 градусів Цельсію, а у майбутньому дослідники планують знайти підхід, з яким суспензія пилку допоможе змінювати надруковані структури для повторного використання через нагрівання.
Рослини не вперше перетворюються на основу для конструкційних матеріалів. Наприклад, ми писали про цитрусовий екстракт, полімер з якого зробив деревину прозорою та повністю відновною. А саму деревину вдалося отримати із клітин квітів майорців, які «здерев'яніли» під дією регулятора росту.