Diese Pressemitteilung wurde von der Rice University herausgegeben und enthält eine Zusammenfassung eines wissenschaftlichen Artikels, der in der Zeitschrift „Nature Communications“ unter DOI: 10.1038/s41467-025-60242-1 veröffentlicht wurde.
Wissenschaftler der Rice University und der University of Houston haben einen innovativen, skalierbaren Ansatz entwickelt, um bakterielle Zellulose in hochfeste, multifunktionale Materialien zu verwandeln. Die Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, stellt eine dynamische Biosynthesetechnik vor, die bakterielle Zellulosefasern in Echtzeit ausrichtet und zu robusten Biopolymerplatten mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften führt.
Die Plastikverschmutzung hält an, weil herkömmliche synthetische Polymere zu Mikroplastik zerfallen und dabei schädliche Chemikalien wie Bisphenol A (BPA), Phthalate und Karzinogene freisetzen. Auf der Suche nach nachhaltigen Alternativen nutzte das Forschungsteam unter der Leitung von Muhammad Maksud Rahman, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Houston und außerordentlicher Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Nanoengineering an der Rice University, bakterielle Zellulose – eines der am häufigsten vorkommenden und reinsten Biopolymere der Erde – als biologisch abbaubare Alternative.
„Unser Ansatz bestand darin, einen rotierenden Bioreaktor zu entwickeln, der die Bewegung der Zellulose produzierenden Bakterien lenkt und ihre Bewegung während des Wachstums ausrichtet“, sagte M.A.S.R. Saadi, Erstautorin der Studie und Doktorandin in Materialwissenschaften und Nanoengineering bei Rice. „Diese Ausrichtung verbessert die mechanischen Eigenschaften der mikrobiellen Zellulose erheblich und schafft ein Material, das so stark ist wie einige Metalle und Gläser, aber dennoch flexibel, faltbar, transparent und umweltfreundlich.“
Bakterielle Zellulosefasern bilden sich normalerweise zufällig, was ihre mechanische Festigkeit und Funktionalität einschränkt. Indem sie die kontrollierte Flüssigkeitsdynamik in ihrem neuartigen Bioreaktor nutzten, gelang es den Forschern, die Zellulose-Nanofibrillen in situ auszurichten und Blätter mit einer Zugfestigkeit von bis zu 436 Megapascal zu erzeugen.
Darüber hinaus führte der Einbau von Bornitrid-Nanoblättern während der Synthese zu einem Hybridmaterial mit noch höherer Festigkeit – etwa 553 Megapascal – und verbesserten thermischen Eigenschaften, das eine dreimal schnellere Wärmeableitung als die Kontrollproben aufwies.
„Dieser Ansatz der dynamischen Biosynthese ermöglicht die Herstellung von stärkeren Materialien mit größerer Funktionalität“, sagte Saadi. „Die Methode ermöglicht die einfache Integration verschiedener nanoskaliger Zusatzstoffe direkt in die bakterielle Zellulose, wodurch die Materialeigenschaften für bestimmte Anwendungen angepasst werden können.“
Shyam Bhakta, ein Postdoktorand in der Abteilung für Biowissenschaften an der Rice University, spielte eine wichtige Rolle beim Vorantreiben der biologischen Aspekte der Studie. Weitere Mitarbeiter von Rice waren Pulickel Ajayan, der Benjamin M. und Mary Greenwood Anderson Professor für Materialwissenschaften und NanoEngineering, Matthew Bennett, Professor für Biowissenschaften, und Matteo Pasquali, der A.J. Hartsook Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik.
„Der Syntheseprozess ist im Wesentlichen wie das Training einer disziplinierten bakteriellen Kohorte“, erklärt Saadi. „Anstatt die Bakterien wahllos zu bewegen, weisen wir sie an, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen und so ihre Zelluloseproduktion genau auszurichten. Diese disziplinierte Bewegung und die Vielseitigkeit der Biosynthesetechnik ermöglichen es uns, gleichzeitig sowohl die Ausrichtung als auch die Multifunktionalität zu entwickeln.“
Der skalierbare, einstufige Prozess ist vielversprechend für zahlreiche industrielle Anwendungen, darunter Strukturmaterialien, Wärmemanagementlösungen, Verpackungen, Textilien, grüne Elektronik und Energiespeichersysteme.
„Diese Arbeit ist ein großartiges Beispiel für interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle von Materialwissenschaft, Biologie und Nanotechnologie“, fügte Rahman hinzu. „Wir stellen uns vor, dass diese starken, multifunktionalen und umweltfreundlichen bakteriellen Zelluloseblätter allgegenwärtig werden, Kunststoffe in verschiedenen Industrien ersetzen und helfen, Umweltschäden zu verringern.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation (2234567), dem U.S. Endowment for Forestry and Communities (23-JV-11111129-042) und der Welch Foundation (C-1668) unterstützt. Der Inhalt dieser Studie liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und repräsentiert nicht notwendigerweise die offiziellen Ansichten der finanzierenden Organisationen und Institutionen.