خداحافظ پلاستیک
دانشمندان دانشگاه رایس و دانشگاه هوستون یک رویکرد نوآورانه و مقیاس‌پذیر برای مهندسی سلولز باکتریایی به مواد چندمنظوره با استحکام بالا توسعه داده‌اند.
این مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده است، یک تکنیک بیوسنتز پویا را معرفی می‌کند که الیاف سلولز باکتریایی را در زمان واقعی هم‌تراز می‌کند و به تولید ورق‌های بیوپلیمری مقاوم با خواص مکانیکی استثنایی می‌انجامد.
آلودگی پلاستیکی همچنان ادامه دارد زیرا پلیمرهای مصنوعی سنتی به میکروپلاستیک‌ها تجزیه می‌شوند و مواد شیمیایی مضری مانند بیسفنول (A (BPA، فتالات‌ها و مواد سرطان‌زا آزاد می‌کند.تیم تحقیقاتی به رهبری محمد مقصود رحمان، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه هوستون و استادیار علوم مواد ونانومهندسی دردانشگاه رایس، در جست‌وجوی جایگزین‌های پایدار، از سلولز باکتریایی، یکی از فراوان‌ترین و خالص‌ترین بیوپلیمرهای زمین، به عنوان یک جایگزین زیست‌تخریب‌پذیر استفاده کردند.
محمد عبدالستار رحمان سعدى، نویسنده اول این مطالعه و دانشجوی دکترای علوم مواد و مهندسی نانو در دانشگاه رایس، گفت: «رویکرد ما شامل توسعه یک بیوراکتور چرخشی بود که حرکت باکتری‌های تولیدکننده سلولز را هدایت می‌کند و حرکت آنها را در طول رشد همسو می‌کند.این همسوسازی به طور قابل توجهی خواص مکانیکی سلولز میکروبی را افزایش می‌دهد و ماده‌ای به استحکام برخی فلزات و شیشه‌ها و در عین حال انعطاف‌پذیر، تاشو، شفاف و سازگار با محیط‌زیست ایجاد می‌کند.»
نوآوری در مهندسی سلولز باکتریایی
الیاف سلولز باکتریایی معمولا به صورت تصادفی تشکیل می‌شوند که این امر استحکام مکانیکی و عملکرد آنها را محدود می‌کند. محققان با مهار دینامیک سیالات کنترل شده در بیوراکتور جدید خود، به ترازبندی درجای نانوفیبریل‌های سلولز دست یافتند و صفحاتی با استحکام کششی تا ۴۳۶ مگاپاسکال ایجاد کردند. علاوه بر این، ترکیب نانوصفحات نیترید بور (boron nitride) در طول سنتز منجر به ماده هیبریدی با استحکام حتی بیشتر (حدود ۵۵۳ مگاپاسکال) و خواص حرارتی بهبود یافته شد که نشان دهنده سرعت اتلاف حرارت سه برابر سریعتر از نمونه‌های کنترل است.
سعدی گفت: «این رویکرد بیوسنتز پویا، امکان ایجاد مواد قوی‌تر با عملکرد بیشتر را فراهم می‌کند. این روش امکان ادغام آسان افزودنی‌های مختلف در مقیاس نانو را مستقیما در سلولز باکتریایی فراهم می‌کند و امکان سفارشی‌سازی خواص مواد را برای کاربردهای خاص فراهم می‌کند.» شیام باکتا، دانشجوی پسادکترا در دانشکده علوم زیستی دانشگاه رایس، نقش مهمی در پیشبرد جنبه‌های بیولوژیکی این مطالعه ایفا کرد. دیگر همکاران رایس شامل پولیکل آجایان، استاد علوم مواد و مهندسی نانو بنجامین ام. و مری گرینوود اندرسون؛ متیو بنت، استاد علوم زیستی؛ و ماتئو پاسکوالی، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی ای. جی. هارتسوک بودند.
کاربردهای گسترده و آینده‌ای پایدار
برای درک بهتر، سعدی چنین توضیح داد: «فرآیند سنتز اساسا مانند آموزش یک گروه باکتریایی منظم است. به جای این‌که باکتری‌ها به صورت تصادفی حرکت کنند، ما به آنها دستور می‌دهیم که در یک جهت خاص حرکت کنند و به این ترتیب تولید سلولز آنها را دقیقا تنظیم می‌کنیم. این حرکت منظم و تطبیق‌پذیری تکنیک بیوسنتز به ما این امکان را می‌دهد که همزمان هم‌ترازی و هم چندمنظورگی را مهندسی کنیم.»
این فرآیند تک مرحله‌ای و مقیاس‌پذیر، نویدبخش کاربردهای صنعتی متعددی از جمله مواد ساختاری، راهکارهای مدیریت حرارتی، بسته‌بندی، منسوجات، لوازم الکترونیکی سبز و سیستم‌های ذخیره انرژی است.
رحمان افزود: «این کار نمونه‌ای عالی از تحقیقات میان‌رشته‌ای در تقاطع علم مواد، زیست‌شناسی و مهندسی نانو است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که این صفحات سلولز باکتریایی قوی، چندمنظوره و سازگار با محیط‌زیست، فراگیر شوند و جایگزین پلاستیک در صنایع مختلف شوند و به کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی کمک کنند.»
در جست‌وجوی جایگزین‌های پایدار پلاستیک
تلاش‌ها برای یافتن جایگزین‌های پلاستیک به دلیل اثرات زیست‌محیطی مخرب پلاستیک‌های مصنوعی، مانند آلودگی میکروپلاستیک‌ها و انتشار مواد شیمیایی سمی، شدت یافته است. محققان در سراسر جهان بر توسعه مواد زیست‌تخریب‌پذیر و پایدار تمرکز کرده‌اند. بیوپلیمرهایی مانند سلولز باکتریایی، پلی‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHA) به دلیل تجزیه‌پذیری و منشا زیستی، گزینه‌های محبوبی هستند. این مواد از منابع طبیعی مانند گیاهان، باکتری‌ها یا ضایعات کشاورزی تولید می‌شوند و می‌توانند در کاربردهایی نظیر بسته‌بندی، منسوجات و تجهیزات پزشکی جایگزین پلاستیک شوند.
فناوری‌های نوین، مانند مهندسی نانو و بیوسنتز، امکان تولید موادی با استحکام و عملکرد مشابه پلاستیک‌های سنتی را فراهم کرده‌اند، در حالی که اثرات زیست‌محیطی کمتری دارند. علاوه بر این، بازیافت زیستی و استفاده از ضایعات برای تولید این مواد، وابستگی به منابع فسیلی را کاهش می‌دهد. با وجود این پیشرفت‌ها، چالش‌هایی مانند هزینه تولید بالا و مقیاس‌پذیری همچنان باقی است. این تلاش‌ها، با تلفیق علم مواد، زیست‌فناوری و مهندسی، به سوی آینده‌ای پایدار حرکت می‌کنند و می‌توانند آلودگی پلاستیکی را به طور قابل توجهی کاهش دهند.
آلودگی پلاستیکی همچنان ادامه دارد زیرا پلیمرهای مصنوعی سنتی به میکروپلاستیک‌ها تجزیه می‌شوند و مواد شیمیایی مضری مانند بیسفنول (A (BPA، فتالات‌ها و مواد سرطان‌زا آزاد می‌کند.تیم تحقیقاتی به رهبری محمد مقصود رحمان، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه هوستون و استادیار علوم مواد ونانومهندسی دردانشگاه رایس، در جست‌وجوی جایگزین‌های پایدار، از سلولز باکتریایی، یکی از فراوان‌ترین و خالص‌ترین بیوپلیمرهای زمین، به عنوان یک جایگزین زیست‌تخریب‌پذیر استفاده کردند.
محمد عبدالستار رحمان سعدى، نویسنده اول این مطالعه و دانشجوی دکترای علوم مواد و مهندسی نانو در دانشگاه رایس، گفت: «رویکرد ما شامل توسعه یک بیوراکتور چرخشی بود که حرکت باکتری‌های تولیدکننده سلولز را هدایت می‌کند و حرکت آنها را در طول رشد همسو می‌کند.این همسوسازی به طور قابل توجهی خواص مکانیکی سلولز میکروبی را افزایش می‌دهد و ماده‌ای به استحکام برخی فلزات و شیشه‌ها و در عین حال انعطاف‌پذیر، تاشو، شفاف و سازگار با محیط‌زیست ایجاد می‌کند.»
نوآوری در مهندسی سلولز باکتریایی
الیاف سلولز باکتریایی معمولا به صورت تصادفی تشکیل می‌شوند که این امر استحکام مکانیکی و عملکرد آنها را محدود می‌کند. محققان با مهار دینامیک سیالات کنترل شده در بیوراکتور جدید خود، به ترازبندی درجای نانوفیبریل‌های سلولز دست یافتند و صفحاتی با استحکام کششی تا ۴۳۶ مگاپاسکال ایجاد کردند. علاوه بر این، ترکیب نانوصفحات نیترید بور (boron nitride) در طول سنتز منجر به ماده هیبریدی با استحکام حتی بیشتر (حدود ۵۵۳ مگاپاسکال) و خواص حرارتی بهبود یافته شد که نشان دهنده سرعت اتلاف حرارت سه برابر سریعتر از نمونه‌های کنترل است.
سعدی گفت: «این رویکرد بیوسنتز پویا، امکان ایجاد مواد قوی‌تر با عملکرد بیشتر را فراهم می‌کند. این روش امکان ادغام آسان افزودنی‌های مختلف در مقیاس نانو را مستقیما در سلولز باکتریایی فراهم می‌کند و امکان سفارشی‌سازی خواص مواد را برای کاربردهای خاص فراهم می‌کند.» شیام باکتا، دانشجوی پسادکترا در دانشکده علوم زیستی دانشگاه رایس، نقش مهمی در پیشبرد جنبه‌های بیولوژیکی این مطالعه ایفا کرد. دیگر همکاران رایس شامل پولیکل آجایان، استاد علوم مواد و مهندسی نانو بنجامین ام. و مری گرینوود اندرسون؛ متیو بنت، استاد علوم زیستی؛ و ماتئو پاسکوالی، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی ای. جی. هارتسوک بودند.
کاربردهای گسترده و آینده‌ای پایدار
برای درک بهتر، سعدی چنین توضیح داد: «فرآیند سنتز اساسا مانند آموزش یک گروه باکتریایی منظم است. به جای این‌که باکتری‌ها به صورت تصادفی حرکت کنند، ما به آنها دستور می‌دهیم که در یک جهت خاص حرکت کنند و به این ترتیب تولید سلولز آنها را دقیقا تنظیم می‌کنیم. این حرکت منظم و تطبیق‌پذیری تکنیک بیوسنتز به ما این امکان را می‌دهد که همزمان هم‌ترازی و هم چندمنظورگی را مهندسی کنیم.»
این فرآیند تک مرحله‌ای و مقیاس‌پذیر، نویدبخش کاربردهای صنعتی متعددی از جمله مواد ساختاری، راهکارهای مدیریت حرارتی، بسته‌بندی، منسوجات، لوازم الکترونیکی سبز و سیستم‌های ذخیره انرژی است.
رحمان افزود: «این کار نمونه‌ای عالی از تحقیقات میان‌رشته‌ای در تقاطع علم مواد، زیست‌شناسی و مهندسی نانو است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که این صفحات سلولز باکتریایی قوی، چندمنظوره و سازگار با محیط‌زیست، فراگیر شوند و جایگزین پلاستیک در صنایع مختلف شوند و به کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی کمک کنند.»
در جست‌وجوی جایگزین‌های پایدار پلاستیک
تلاش‌ها برای یافتن جایگزین‌های پلاستیک به دلیل اثرات زیست‌محیطی مخرب پلاستیک‌های مصنوعی، مانند آلودگی میکروپلاستیک‌ها و انتشار مواد شیمیایی سمی، شدت یافته است. محققان در سراسر جهان بر توسعه مواد زیست‌تخریب‌پذیر و پایدار تمرکز کرده‌اند. بیوپلیمرهایی مانند سلولز باکتریایی، پلی‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHA) به دلیل تجزیه‌پذیری و منشا زیستی، گزینه‌های محبوبی هستند. این مواد از منابع طبیعی مانند گیاهان، باکتری‌ها یا ضایعات کشاورزی تولید می‌شوند و می‌توانند در کاربردهایی نظیر بسته‌بندی، منسوجات و تجهیزات پزشکی جایگزین پلاستیک شوند.
فناوری‌های نوین، مانند مهندسی نانو و بیوسنتز، امکان تولید موادی با استحکام و عملکرد مشابه پلاستیک‌های سنتی را فراهم کرده‌اند، در حالی که اثرات زیست‌محیطی کمتری دارند. علاوه بر این، بازیافت زیستی و استفاده از ضایعات برای تولید این مواد، وابستگی به منابع فسیلی را کاهش می‌دهد. با وجود این پیشرفت‌ها، چالش‌هایی مانند هزینه تولید بالا و مقیاس‌پذیری همچنان باقی است. این تلاش‌ها، با تلفیق علم مواد، زیست‌فناوری و مهندسی، به سوی آینده‌ای پایدار حرکت می‌کنند و می‌توانند آلودگی پلاستیکی را به طور قابل توجهی کاهش دهند.
