Вчені перетворили пилок на екологічний папір та губки

Науковці з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі під керівництвом матеріалознавця Нам-Джуна Чо розробили революційну технологію перетворення пилку рослин на різноманітні екологічно чисті матеріали. Протягом десятиліття дослідники вдосконалювали методи переробки жорсткої зовнішньої оболонки пилку, створеної з полімеру, який іноді називають «діамантом рослинного світу».

Лабораторія Чо на перший погляд нагадує звичайне дослідницьке приміщення, але помаранчево-жовті плями на халатах видають незвичайний предмет досліджень. Вчені працюють з пилком — мікроскопічними зернами, що містять чоловічі репродуктивні клітини дерев, бур'янів та трав. Однак Чо не вивчає алергічні реакції чи роль пилку для рослин, а розробляє способи перетворення його твердої оболонки на желеподібну консистенцію.

Отриманий мікрогель, на думку дослідника, може стати універсальним будівельним блоком для багатьох екологічних матеріалів, включаючи папір, плівки та губки. Чо, який є співавтором огляду перспективних застосувань пилку в щорічному виданні Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering за 2024 рік, переконаний у цінності цього матеріалу.

Багато людей вважають пилок, коли він не запліднює рослини чи не годує комах, марним пилом, але він має цінні застосування, якщо знати, як з ним працювати, зазначає Чо. Він не єдиний науковець, який так думає. Ноемі Чсаба, дослідниця нанотехнологій та доставки ліків з Університету Сантьяго-де-Компостела в Іспанії, хоче розробити порожнисті оболонки пилку як захисні засоби для доставки ліків до очей, легень та шлунка.

Дослідники, які вивчають корисність пилку для людей, є рідкісною породою, каже Чсаба. Вона зазначає, що це дещо дивує її, адже пилок є дуже цікавим біоматеріалом.

Для початку роботи з пилком науковці можуть видалити липке покриття навколо зерен у процесі, який називається знежирення. Видалення цих ліпідів та алергенних білків є першим кроком у створенні порожніх капсул для доставки ліків, які шукає Чсаба. Однак, крім цього, здавалося б непроникна оболонка пилку, створена з біополімеру спорополеніну, довго ставила дослідників у глухий кут та обмежувала його використання.

Прорив відбувся у 2020 році, коли Чо та його команда повідомили, що інкубація пилку в лужному розчині гідроксиду калію при температурі 80 градусів Цельсія може значно змінити поверхневу хімію зерен пилку, дозволяючи їм легко поглинати та утримувати воду.

Отриманий пилок стає пластичним як пластилін, каже Шахрудін Ібрагім, науковий співробітник лабораторії Чо, який допомагав розробляти цю техніку. До обробки зерна пилку більше схожі на кульки: тверді, інертні та значною мірою нереактивні. Після обробки частинки стають настільки м'якими, що легко злипаються, дозволяючи формуватися більш складним структурам. Це відкриває численні застосування, каже Ібрагім, гордо демонструючи пробірку з жовто-коричневою кашкою в лабораторії.

Коли мікрогель виливають у плоску форму та висушують, він перетворюється на папір чи плівку, залежно від кінцевої товщини, що є міцною, але гнучкою. Матеріал також чутливий до зовнішніх стимулів, включаючи зміни рН та вологості. Вплив лужного розчину призводить до того, що складові полімери пилку стають більш гідрофільними або водолюбними, тому залежно від умов гель буде набухати чи стискатися через поглинання або виділення води, пояснює Ібрагім.

Ця переможна комбінація властивостей, вважають сінгапурські дослідники, робить плівку на основі пилку перспективною для багатьох майбутніх застосувань: розумних приводів, які дозволяють пристроям виявляти та реагувати на зміни в оточенні, носимих трекерів здоров'я для моніторингу серцевих сигналів та інших. А оскільки пилок природно захищає від ультрафіолету, існує можливість його заміни певних фотонно активних субстратів у перовскітних сонячних елементах та інших оптоелектронних пристроях.

Лабораторія Чо також продемонструвала, що папір з пилку можна друкувати. Це може бути стійка альтернатива традиційному паперу для письма, друку та пакування, згідно з Чо, який запатентував процес виробництва мікрогелю. Виробництво традиційного паперу знищує дерева та є ресурсоємним, потребуючи до 13 літрів води на кожну виготовлену сторінку. Пилок природно виділяється в великих кількостях насіннєвими рослинами, а отримання паперу з нього потребує лише кількох простих кроків. Чорнило можна видалити простим промиванням лужним розчином — процес, який дозволяє повторно використовувати папір.

Крім того, заморожений мікрогель пилку утворює пористі губки. Їх можна використовувати як каркаси для тканинної інженерії, для зупинки кровотечі або поглинання розливів нафти.

Команда Чо зазвичай працює з пилком соняшника та камелії, який вони недорого купують як суміш бджолиного пилку, переважно з Китаю. Але вони кажуть, що їхній метод лужного гідролізу добре працюватиме з широким спектром видів рослин. Пилок є в достатку, додає Чо — одна квітка звичайного соняшника, наприклад, виробляє від 25 тисяч до 67 тисяч зерен щоліта. Більше того, його легко збирати з бджіл у комерційних вуликах.

Продукти на основе пилку ще мають пройти певний шлях до виходу на ринок, додає Ібрагім. Ключовим зараз є передбачення викликів та розробка стійких рішень. З іншими біоматеріалами, над якими працюють дослідники, такими як хітозан та целюлоза, потрібно знищувати ракоподібних чи дерево. Порівняно з цим пилок значно менш ресурсоємний. Ми не знищуємо рослину, каже він. Ми навіть не знищуємо квіти.