Katalonya Biyomühendislik Enstitüsü (IBEC) öncülüğünde yürütülen yeni bir çalışmada, yalnızca su geçirmez olmakla kalmayıp suyla temas ettiğinde daha da güçlenen biyomalzeme tanıtıldı. Bu malzeme, atık karides kabuklarından elde edilen kitin kökenli bir polimer olan kitosanın yapısına nikel katılmasıyla üretiliyor. Önemli polisakkaritler (doğada en bol bulunan karbonhidratlar) arasında gösterilen kitin, eklembacaklılar tarafından dış iskeletin kurulmasında kullanılan ve mantarların hücre çeperini oluşturan karbonhidrata deniyor.
Çoğu biyolojik malzeme suya maruz kaldığında zayıflıyor. Bu nedenle mühendisler, kimyasal modifikasyonlara veya koruyucu kaplamalara yöneliyor, bu da biyomalzeme temelli çözümlerin sürdürülebilirlik avantajlarını zayıflatıyor.
Katalonya ve Singapur Teknoloji ve Tasarım Üniversitesinden araştırmacılar, eklembacaklıların dış iskeletinden esinlendi. Selülozdan sonra Dünya’daki en bol ikinci organik molekül olan kitosanı kullandılar. Böylece, suda dayanıklılığı plastiklerden çok daha yüksek olan bir malzeme ortaya koydular. Bulgular, Nature Communications dergisinde yayınlandı.
Çalışmanın en önemli noktalarından biri, sürecin kitosanın biyolojik doğasını değiştirmemesi. ICREA (Katalan Araştırma ve İleri Araştırmalar Enstitüsü) Araştırma Profesörü ve IBEC grubunun lideri Javier G. Fernández. “Malzeme, doğanın gözünde hala biyolojik olarak saf; böcek kabuklarında ya da mantarlarda bulunan molekülle özünde aynı kalıyor. Bu saflık, malzemenin doğal ekolojik döngülere sorunsuz biçimde yeniden entegre edilmesini mümkün kılıyor.” ifadesini kullandı.
Doğadan ilham alan bir paradigma değişimi
Profesör Fernández, eklembacaklılardan ilham aldıklarını açıkladı. Kum solucanı Nereis virens’in çenesindeki çinko çıkarıldığında hidrasyona duyarlı hale geliyor ve suya daldırıldığında yumuşuyordu. Bu bulgu, metallerin doğal malzemelerin suyla etkileşiminde kilit rol oynayabileceğini düşündürdü.
Metallerin biyolojik yapıları güçlendirdiği biliniyor. Ancak araştırmacılar, aynı zamanda kitin temelli malzemelerin (kabuklu deniz canlılarının kabuklarında bulunan doğal bir polimer) suyla etkileşimini de kontrol edebileceğini öne sürdü. Bu hipotezi test etmek için ekip, kitinle kolayca etkileşime giren ve suda çözünebilen, doğada az miktarda bulunan bir element olan nikeli seçti.
Araştırma ekibi, atık karides kabuklarından elde edilen kitosanın yapısına nikeli entegre ederek ince filmler üretti. Malzemenin suya daldırıldığında daha da güçlendiği ve mekanik dayanıklılığının yüzde 50’ye kadar arttığı bildirildi.
Yeni malzemede su, pasif bir unsur değildi; nikel iyonlarının ve çevredeki su moleküllerinin hareketliliği sayesinde zayıf ve geri dönüşümlü bağlardan oluşan dinamik bir ağ sürekli kırılıp yeniden kuruluyor. Bu mikroskobik yeniden yapılanma, malzemenin gerilimi emmesine ve kendini yeniden düzenlemesine olanak tanıyor; bu da doğal biyolojik yapıların davranışını taklit ediyor.
Fernández bunu, “Moleküler ölçekte ‘yumuşak’ olmanın aslında malzemeyi daha güçlü kıldığı bir yapı.” olarak tanımlıyor.
Sıfır atık üretim ve küresel ölçeklenebilirlik
Çalışma aynı zamanda sıfır atıklı bir üretim sürecini de gösteriyor. Malzemenin ilk suya daldırılması sırasında yapısal bağlara katkı sağlamayan nikelin büyük kısmı serbest kalıyor. Ekip, bu karışımı atmak yerine, bir sonraki üretim partisi için girdi olarak kullanan bir döngü tasarladı ve nikel kullanımında yüzde 100 verimlilik sağladı.
Bu yaklaşım, nikelin tamamen geri kazanılıp yeniden kullanılmasına imkan tanıyor; böylece çevresel etki ve maliyetler önemli ölçüde azalıyor.
Ölçek büyütme açısından da tablo umut verici. Yazarlar, kitinli polimerlerin doğada son derece büyük ölçekte üretildiğini ve bu nedenle geleceğin sürdürülebilir üretimi için ideal adaylar olduğunu vurguluyor.
Fernández’in grubunda doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı Akshayakumar Kompa’ya göre, dünyada her yıl yaklaşık 100 milyar ton kitin üretiliyor; bu miktar üç yüzyıllık plastik üretimine eşdeğer. Üstelik kitosan, tek bir küresel kaynağa bağımlı olmadan yerel olarak üretilebiliyor. Karides kabukları halen başlıca endüstriyel kaynak olsa da, kitosan; kentsel gıda atıklarından mantar yan ürünlerine kadar çeşitli organik atıkların biyodönüşümüyle de elde edilebiliyor.
Üretilen malzemenin ilk uygulamalarının, tarım, balıkçılık ekipmanları, ambalaj ve suyla temas eden diğer alanlarda gerçekleşmesi bekleniyor. Bu alanlarda biyobozunur ve suya dayanıklı malzemelere acil ihtiyaç bulunuyor.
Ekip başlangıçta özellikle tarımsal uygulamalara odaklanmış olsa da hem nikel hem de kitosan, belirli tıbbi kullanımlar için ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından ayrı ayrı onaylar aldı bile. Bu nedenle bulgular, biyomalzemeler için su geçirmez kaplamalar dahil olmak üzere tıbbi uygulamaların da önünü açabilir.
Ayrıca çalışmada bardaklar ve büyük levhalar gösterildi; malzemenin su geçirmez kaplar oluşturabilme yeteneği, bazı tek kullanımlık plastiklerin yerini alma potansiyelini ortaya koyuyor.
Kaynak: Nature Communications, IBEC basın materyalleri, IBEC