В последние годы рост интереса к экологически чистым и устойчивым материалам стимулировал интенсивные исследования в области биополимеров. Среди них бактериальная целлюлоза заняла особое место благодаря своим уникальным характеристикам — высокой чистоте, биосовместимости, механической прочности и возможности структурного контроля на наноуровне. Однако несмотря на впечатляющие свойства отдельных нанофибрилл целлюлозы, традиционно получаемые бактериальные целлюлозные пленки имеют нерегулярную структуру с рандомно ориентированными микрофибриллами, что ограничивает их потенциал в промышленных и технологических применениях. Разрешить эту проблему позволяет инновационная методика, основанная на использовании потоковых усилий для выравнивания нанофибрилл во время их синтеза и одновременной интеграции двухмерных (2D) наноматериалов, таких как нанолисты гексагонального нитрида бора (BNNS). Такой подход не только существенно улучшает механическую прочность и стабильность бактериальной целлюлозы, но и придаёт ей функциональные свойства, открывая новые горизонты применения.
Бактериальная целлюлоза естественным образом продуцируется определёнными аэробными бактериями, например, Novacetimonas hansenii, и представляет собой трёхмерную сетчатую структуру из β−1,4-глюкановых цепей, организованных в нанофибриллы. В отличие от растительной целлюлозы, бактериальная целлюлоза лишена примесей, таких как лигнин и гемицеллюлоза, что обеспечивает ей большую чистоту и кристалличность. Эти структуры обладают удивительно высокой теоретической прочностью и модулем упругости на уровне отдельных нанофибрилл, однако передача этих свойств в макроскопические образцы бактериальной целлюлозы затруднена из-за хаотичной ориентации фибрилл и дефектов в структуре материала. Для решения этой задачи учёные разработали уникальное устройство, представляющее собой вращающийся биореактор с цилиндрическим корпусом из кислородопроницаемого полимера PDMS. Его конструкция позволяет создавать направленный вращающийся поток питательной среды с бактериями, производящими целлюлозу.
Под действием сдвиговых сил, вызванных этим потоком, бактерии ориентируются вдоль направления течения, а их выделяемые нанофибриллы формируют пленку с выраженной анзаизотропией — нанофибриллы располагаются параллельно друг другу, образуя выровненную структуру. Такой процесс биосинтеза длится порядка 10 дней, после чего полученная пленка характеризуется высокой степенью прозрачности, гибкостью, прочностью и устойчивостью к многократным механическим деформациям. Степень выравнивания нанофибрилл, достигнутая с помощью метода вращающегося биореактора, была подтверждена с помощью широкоугольной рентгеновской дифракции (WAXS), сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии, а также поляризационной оптики. Результаты показали, что отличаются значительно более высокий показатель ориентированности по сравнению с традиционными статическими культурами бактериальной целлюлозы. Выравненная структура напрямую коррелирует с улучшением механических характеристик: прочность на разрыв повышается более чем в два раза, достигая до 430 мегапаскалей, а модуль упругости удваивается.
Важным является и то, что пластичность образца остаётся высокой, что позволяет применять материал в гибких устройствах и сложных конструкциях. Для дальнейшего расширения функциональности бактериальной целлюлозы был реализован одновременный процесс внедрения 2D наноматериалов, использованных в качестве укрепляющих и теплопроводящих компонентов. В качестве модели были взяты гексагональные нанолисты нитрида бора, благодаря их выдающимся механическим и термическим свойствам, а также биосовместимости. Их предварительно полученные тонкие листья вводятся прямо в питательную среду перед началом вращательного биосинтеза, что обеспечивает их равномерное распределение и тесную межфазную интеграцию с формирующимся целлюлозным каркасом. Свежесинтезированная гибридная наноструктура сочетает в себе структурную прочность бактериальной целлюлозы и функциональность двумерных наноматериалов.
Микроскопии и рентгеноструктурный анализ подтвердили, что оксидные нанолисты хорошо интеркалируются между нанофибриллами, создавая эффективный армирующий эффект. В результате средняя прочность композита возрастает до 550 мегапаскалей, а жесткость достигает результатов, близких к твёрдым неорганическим материалам, при этом пластичность и гибкость сохраняются на высоком уровне. Помимо прочностных улучшений, к композитному материалу относятся замечательные термические свойства: скорость отвода тепла в образцах с BNNS увеличивается втрое по сравнению с контрольными пленками из чистой бактериальной целлюлозы. Такие характеристики открывают широкий спектр потенциальных приложений для полученных материалов. Возможности включают в себя использование в качестве биодеградируемой упаковки с улучшенными защитными и тепловыми свойствами, создание гибкой электроники и сенсорных устройств, которые требуют легкости, прочности и стабильности, а также применение в текстильной промышленности и энергетике в качестве материала для легких и прочных структурных элементов.
Высокая термостойкость и эффективное тепловыделение делают их привлекательными для систем управления теплом в электронике и энергетических хранилищах. Дополнительный значимый аспект этой технологии — её простота и экологичность. Использование вращательного биореактора предоставляет одностадийный и масштабируемый метод получения выровненных бактериальных целлюлозных пленок, устраняя необходимость в сложных последующих процессах выравнивания и химической обработке. Биосинтез происходит в условиях умеренной температуры и давления, а все материалы, включая 2D наполнители, могут быть выбраны с учётом экологической безопасности и биоразлагаемости, что способствует снижению углеродного следа и отходов производства. Таким образом, интеграция двухмерных наноматериалов в структуру бактериальной целлюлозы при помощи потокового выравнивания в вращательном биореакторе знаменует собой важный шаг в развитии биооснованных композитов нового поколения.
Она объединяет достижения наноинженерии, биотехнологий и материаловедения, открывая перспективы для создания прочных, функциональных и устойчивых материалов, которые могут успешно конкурировать с традиционными синтетическими аналогами. Дальнейшие исследования обещают оптимизировать составы, раскрыть новые функциональные возможности и расширить применение таких биогибридных систем в промышленности, медицине и высокотехнологичных областях.
