Responsief materiaal op basis van algen

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de TU Delft heeft 3D-printing gebruikt om van algen een nieuw, levend en milieuvriendelijk materiaal te maken met veel mogelijke toepassingen.

Levende materialen, die gemaakt worden door biologische cellen onder te brengen in een niet-levende matrix, zijn de afgelopen jaren steeds populairder geworden. Wetenschappers zien in dat de meest robuuste materialen vaak materialen zijn die de natuur nabootsen.

Onderzoekers van verschillende faculteiten van de TU Delft hebben nu voor het eerst 3D-printers en een nieuwe bioprinttechniek gebruikt om een levend, fotosynthetisch materiaal te maken dat stevig en veerkrachtig is. Het materiaal kan op verschillende manieren worden gebruikt. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

"Het printen van levende cellen is een aantrekkelijke technologie voor de vervaardiging van levende materialen", zegt Marie-Eve Aubin-Tam, een associate professor van de Faculteit Technische Natuurwetenschappen. "Ons fotosynthetische, levende materiaal heeft als voordeel dat het mechanisch robuust genoeg is voor praktische toepassingen."

Levende en niet-levende componenten

De onderzoekers begonnen met bacteriële cellulose - een niet-levende, organische verbinding die wordt geproduceerd en uitgescheiden door bacteriën. Bacteriële cellulose heeft een aantal unieke mechanische eigenschappen, waaronder flexibiliteit, stevigheid en het vermogen om zijn vorm te behouden, zelfs wanneer het gedraaid, geplet of anderszins vervormd wordt.

De bacteriële cellulose is als het papier in een printer, de levende microalgen fungeren als de inkt. Het onderzoeksteam gebruikte een 3D-printer om levende algen op de bacteriële cellulose aan te brengen.

De combinatie van levende (microalgen) en niet-levende (bacteriële cellulose) componenten resulteerde in een materiaal dat de fotosynthetische kwaliteit van de algen en de robuustheid van de bacteriële cellulose combineert; het materiaal is sterk en duurzaam, en tegelijkertijd milieuvriendelijk, biologisch afbreekbaar, en eenvoudig op schaal te produceren. Door de plantachtige aard van het materiaal kan het zichzelf door middel van fotosynthese wekenlang ‘voeden', en kan het bovendien worden geregenereerd: een klein monster van het materiaal kan ter plaatse worden opgekweekt tot meer.

Kunstmatige bladeren en responsieve materialen

Door zijn bijzondere eigenschappen is het materiaal een ideale kandidaat voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder kunstmatige bladeren of materialen die kunnen reageren op prikkels van buitenaf.

Kunstmatige bladeren zijn materialen die echte bladeren nabootsen. Ze gebruiken zonlicht om water en koolstofdioxide - een belangrijke aanjager van de klimaatverandering - om te zetten in zuurstof en energie, net zoals bladeren dat doen tijdens de fotosynthese. De bladeren slaan energie op in de vorm van suikers, die vervolgens kunnen worden omgezet in brandstoffen. Kunstmatige bladeren zijn een manier om duurzame energie te produceren op plaatsen waar planten niet goed groeien, waaronder toekomstige ruimtekolonies. In tegenstelling tot de meeste bestaande kunstmatige bladeren, die worden geproduceerd met behulp van giftige chemische methoden, is het materiaal van Aubin-Tam en haar collega's op een duurzame manier tot stand gekomen.

"We hebben een materiaal gecreëerd dat energie produceert als we het simpelweg in het licht zetten," zegt Kui Yu, een PhD-student die bij het werk betrokken was. "De biologisch afbreekbare aard van het materiaal zelf en het feit dat de microalgcellen recyclebaar zijn, maakt het tot een duurzaam levend materiaal."

De levende cellen in de materialen kunnen bovendien signalen in de omgeving opvangen en erop reageren, wat uiteindelijk kan leiden tot een nieuwe categorie fotosynthetische en responsieve levende materialen. "Wat als onze alledaagse producten zouden leven: zouden kunnen voelen, groeien, zich aanpassen en uiteindelijk sterven? Dit unieke samenwerkingsproject laat zien dat deze vraag verder gaat dan het domein van speculatief design. We hopen dat ons artikel een dialoog op gang brengt tussen de ontwerp- en de wetenschapsgemeenschap, en nieuwe richtingen voor onderzoek naar toekomstige fotosynthetische levende materialen inspireert," zegt Elvin Karana van de Faculteit Industrieel Ontwerpen.