Een technologie voor de productie van een materiaal op basis van door bacteriën gesynthetiseerde cellulosevezels combineert een weerstand die vergelijkbaar is met die van sommige metalen met een hoge functionaliteit. Volgens de auteurs zou het de norm kunnen worden voor de volgende generatie materialen ter vervanging van plastic.
Bacteriële cellulose is biologisch afbreekbaar en zeer zuiver, waardoor het een duurzaam biomateriaal is, maar traditioneel werden de nanovezels willekeurig gevormd in statische culturen, wat de prestaties beperkte.
Bacteriële cellulose: een duurzaam biomateriaal
Bacteriële cellulose is een soort cellulosevezels die wordt geproduceerd door bepaalde micro-organismen en die zich onderscheidt door zijn zuiverheid en nanometrische microstructuur. In tegenstelling tot plantaardige cellulose is bacteriële cellulose uiterst zuiver en biologisch afbreekbaar en combineert het een hoge mechanische sterkte met biocompatibiliteit en optische transparantie. Vanwege deze eigenschappen wordt het gebruik ervan in medische materialen (zoals transparante wondverbanden) en functionele films al onderzocht. Bij traditionele kweekmethoden zonder roeren groeien de cellulosevezels echter ongeordend, waardoor hun intrinsieke sterkte niet ten volle kan worden benut.
Een roterende bioreactor stuurt de biosynthese aan
Een studie gepubliceerd in Nature Communications door een team van Rice University en de Universiteit van Houston beschrijft de ontwikkeling van deze roterende bioreactor en de opmerkelijke eigenschappen van het nieuwe bacteriële materiaal.
De belangrijkste innovatie van de studie was het ontwerpen van een cilindrische roterende bioreactor die de stroom van het kweekmedium stuurt om de cellulose-producerende bacteriën op één lijn te brengen. Door een zuurstofdoorlatende cilinder met de kweekvloeistof erin langzaam te draaien, ontstaat een stroming die de bacteriën ertoe aanzet om tijdens hun groei altijd in dezelfde richting te bewegen. Op deze manier worden de cellulose-nanovezels netjes parallel afgezet en vormen ze uitgelijnde vellen met verbeterde eigenschappen.
M.A.S.R. Saadi, doctoraalstudent aan de Rice University en eerste auteur van de studie, legt uit: “Onze aanpak bestond uit het ontwikkelen van een roterende bioreactor die de beweging van de cellulose producerende bacteriën stuurt en hun verplaatsing tijdens de groei uitlijnt. Deze uitlijning verbetert de mechanische eigenschappen van cellulose aanzienlijk, waardoor een materiaal ontstaat dat qua sterkte vergelijkbaar is met sommige metalen en glas, maar flexibel genoeg is om te worden gevouwen en milieuvriendelijk is.”
Een uitzonderlijk materiaal: sterkte en flexibiliteit
Het resulterende materiaal is een bacterieel cellulosefolie met een buitengewone sterkte en flexibiliteit. Dankzij de uitlijning van de vezels bereikte de treksterkte 436 MPa, meer dan het dubbele van wat met conventionele statische culturen werd verkregen. Ook andere mechanische eigenschappen werden aanzienlijk verbeterd: de elasticiteitsmodulus en de taaiheid namen toe, waardoor het materiaal langdurig herhaaldelijk kan worden gebruikt zonder zijn integriteit te verliezen.
Samengevat heeft dit biomateriaal de volgende eigenschappen:
Treksterkte tot 436 MPa (meer dan het dubbele van traditionele bacteriële cellulose).
