科学者らは最近、米国のライス大学とヒューストン大学のチームが、バクテリアセルロースの生産中に、シンプルかつ拡張可能なプロセスを通じて繊維の方向性整列を達成し、高強度と汎用性の両方を備えたバイオベースの材料を生産することに成功し、一部の従来のプラスチックの代替として有望であると考えられているという研究結果を「Nature Communications」に発表した。
プラスチック汚染は長年にわたって世界的な問題となってきました。一般的な合成ポリマーは環境中でマイクロプラスチックに分解され、ビスフェノール A (BPA)、フタル酸エステル、一部の発がん物質などの有害な化学物質を放出します。この目的を達成するために、Mohammad Maqsood Rahman 氏が率いる研究チームは、供給源が豊富で純度が高く、生分解性が高い天然の生体高分子であるバクテリアセルロースに注目しました。
研究では、バクテリアセルロース自体がナノスケールの繊維で構成されており、優れた機械的基盤を備えていることが指摘されています。しかし、自然成長の過程で繊維の方向が乱れるため、全体の性能が十分に発揮されていません。さらに、他のナノフィラーをこの三次元の緻密なネットワークに導入すると、分散と浸透の困難に直面し、材料の機能の拡張が制限されます。上記の問題を解決するために、研究チームは、流体の動きを利用してセルロース生成細菌の移動方向を誘導し、増殖プロセス中にバクテリアが「強制的に並ぶ」ようにすることで方向性のある繊維の成長を実現する回転バイオリアクターを設計しました。
M.A.S.R.論文の筆頭著者でライス大学博士課程の学生であるサーディ氏は、この方法は「規律ある細菌チームを訓練する」ことに相当し、もともとランダムに泳いでいた細菌が一定の方向に移動し、その過程で方向性を持ってセルロースを生成できるようになると述べた。この動的生合成戦略により、研究者らが製造した配向バクテリアセルロースシートの引張強度は約436MPaで、これは一部の金属やガラスに匹敵する強度である。また、柔軟性があり、折りたたむことができ、透明で環境に優しい素材です。
さらなる実験で、チームは六方晶系窒化ホウ素ナノシートを細菌培養栄養溶液に直接添加し、合成プロセス中にその場でセルロースネットワークに組み込むことができるようにした。この複合材料の引張強度は最大553MPaまで向上し、熱性能も大幅に向上しました。熱伝導率は対照サンプルの約 3 倍であり、熱を素早く放散します。研究者らは、この方法が材料生成段階で複数のナノ添加剤の「底部統合」に便利であり、アプリケーション要件に応じて機械的、熱的、その他の特性を調整できることを強調しました。
研究チームは、この単一ステップのボトムアップ準備ルートには産業規模の拡大の可能性があると考えています。プロセスの簡素化と幅広い材料ソースのおかげで、将来的にはパッケージング、繊維、構造材料、熱管理、グリーン電子デバイス、エネルギー貯蔵の分野での応用が期待されています。ラーマン氏は、この研究は、この強力で多機能で環境に優しいバクテリアセルロースシートがさまざまなシナリオで一部のプラスチックに取って代わり、環境へのダメージを軽減できるようにすることを最終目標として、材料科学、生物学、ナノエンジニアリングにおける学際的研究の力を実証していると指摘した。
研究チームは、バクテリアセルロースを悩ませてきた繊維配向とフィラーの拡散という長年の問題を解決することで、このプロセスがこの天然バイオポリマーの高性能エンジニアリング材料への扉を開くと結論付けた。彼らは、この生分解性で性能調整が可能なバイオベースの材料が、従来のプラスチックへの依存を減らすための現実的な道を提供し、世界的なプラスチック汚染対策に新たな技術的想像力をもたらすと信じています。