Een sjaal van algen
Voor nieuwe materialen gebruiken wetenschappers steeds vaker organismen en ontdekken ze de voordelen van levende materialen.
Eind april slaagden onderzoekers van de TU Delft erin om een levend, fotosynthetisch materiaal te 3D-printen. Het was het resultaat van een samenwerking tussen de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Marie-Eve Aubin-Tam van de afdeling Bionanoscience (TNW) en professor Elvin Karana van de afdeling Sustainable Design Engineering (IO). Ze printten levende micro-algen op een ‘papier’ van niet-levende bacteriële cellulose en creëerden een responsief materiaal dat CO2 opneemt en zuurstof produceert.
Responsieve materialen kunnen zich aanpassen en informatie communiceren over hun omgeving. Een voorbeeld zijn piëzo-elektrische kristallen die onder druk een elektrische spanning produceren of materialen die van kleur veranderen door luchtvochtigheid of temperatuur.
Karana ziet een toenemende vraag naar responsieve materialen in de ontwerperswereld: “Chemisch worden de materialen al geproduceerd, maar dat kost energie en veroorzaakt giftig afval. Een alternatief is om te werken met levende organismen die externe signalen waarnemen en erop reageren. Zo kun je een lamp maken van bioluminescente algen. Wanneer je de algen opschudt, geven ze genoeg licht om je weg te vinden in het donker. Ze hebben geen elektriciteit maar voeding nodig.”
Aubin-Tam maakt gebruik van bacteriën en micro-algen om materialen te produceren. Het eerste materiaal dat haar onderzoeksgroep succesvol wist na te bootsen was parelmoer. Aubin-Tam: “Parelmoer bestaat voor 95 procent uit broos calciumcarbonaat. Toch is parelmoer zelf heel sterk doordat het is opgebouwd uit lagen calciumcarbonaat, afgewisseld met biopolymeren.” Door bacteriën die calciumcarbonaat lagen uitscheiden af te wisselen met bacteriën die een polymeer uitscheiden, ontstaat een stevig metselwerk.
Een vergelijkbaar principe geldt voor het maken van het levende, fotosynthetisch materiaal met de 3D-printer. Karana: “Door levende algen en bacterieel cellulose op een unieke manier te combineren, krijgen we een stevig materiaal.”
Studenten printten een levende sjaal van het materiaal. Karana: “Ons levend materiaal is nog niet zo flexibel als textiel, maar we werken eraan om de eigenschappen te verbeteren.” Karana ziet ook toepassingen voor het materiaal als gordijnen of kussens. “Er kunnen vooroordelen bestaan in de maatschappij over het dragen van levend materiaal als kleding”, denkt Karana. “De sociale dimensie van levende materialen is onderwerp van onderzoek in onze groep."
Aubin-Tam wil verder onderzoeken hoe het materiaal reageert op licht. Aubin-Tam: “De levende cellen zwemmen met behulp van flagellen (zweepharen die dienen voor de voorbeweging van eencellige organismen, red.). Door licht op de cellen te schijnen kunnen we ze wegduwen of aantrekken. Als we erin slagen de positie van de algen in het materiaal te beïnvloeden kunnen we een responsief én dynamisch materiaal maken.”
Hard-zacht
“Als er een tumor in het bot zit, vervang je het bot met een groot, hard en poreus implantaat,” vertelt assistent professor Mohammad Mirzaali van de afdeling Biomechanical Engineering (3mE). “De kunst is om een implantaat te maken dat stevig genoeg is om het bot te vervangen, maar ook zacht, om de huid niet te beschadigen.” De overgang van hard naar zacht materiaal is moeilijk om te maken. Daarom laat Mirzaali zich inspireren door hard-zacht overgangen in menselijke gewrichten.
Mirzaali werkt aan verschillende biomimetische benaderingen en maakt onder andere gebruik van 3D-printtechniek voor metaal en polymeren. “Die twee technieken samenbrengen is een uitdaging, omdat metaal en polymeren andere printcondities nodig hebben.” Mirzaali ontwerpt een hiërarchische en geometrische structuur om de verbinding tussen metaal en polymeren mogelijk te maken.
De natuur zit ingewikkelder in elkaar dan de hard-zacht overgangen die Mirzaali maakt. De resolutie van de huidige 3D-printers laten het nog niet toe de natuur exact na te bouwen. En zelfs als het lukt om op zo’n kleine schaal te werken, dan kost dat extreem veel tijd en is het lastig om het op te schalen. Mirzaali: “Soms moet je een deel van de complexiteit opofferen om een product te maken dat haalbaar is.”