Diese 3D-gedruckten biokatalytischen Fasern schrubben Kohlendioxid

In der heutigen Folge von „What If?“ – Was wäre, wenn die Apollo-13-Astronauten einen 3D-Drucker hätten? Nun, zum einen hätten sie vielleicht den ganzen Aufwand mit Klebeband und Prozedurlistenhüllen vermeiden können, um die Lithiumhydroxidfilter zu manipulieren, zumindest wenn sie von diesen 3D-gedruckten enzymatischen CO2-Filtern gewusst hätten. Und Zeitreisen … das hätten sie wahrscheinlich auch gebraucht.

Ein bisschen weit hergeholt, ja, aber die CO2-Reinigung in der Umwelt ist zumindest ein Anwendungsfall für das, was [Jialong Shen] et al. vom Textile Engineering Department der North Carolina State University hier entwickelt haben. Der Star der Show ist nicht so sehr der 3D-Druck – obwohl es ziemlich cool ist, ein biokompatibles Aerogel herauszuspritzen und es im Handumdrehen mit UV-Licht zu vernetzen. Der Schlüssel zur Entwicklung eines CO2-scheuernden Textils liegt vielmehr in der Carboanhydrase oder CA, einem allgegenwärtigen Enzym, das für die Aufrechterhaltung der Säure-Basen-Homöostase von zentraler Bedeutung ist. CA ist ein nettes kleines Enzym, das ein Zinkion in seinem aktiven Zentrum koordiniert und effizient die Addition von Wasser an Kohlendioxid katalysiert, um Bicarbonat- und Wasserstoffionen zu erzeugen. Ein einzelnes CA-Molekül kann die Umwandlung von bis zu einer Million CO2-Molekülen pro Sekunde katalysieren, was es als CO2-Filter sehr attraktiv macht.

In der aktuellen Arbeit wurde ein Aerogel aus Poly(ethylenglykol)diacrylat/Poly(ethylenoxid) (PEG-DA/EO) verwendet, um CA-Moleküle einzufangen und sie in einer Polymermatrix an Ort und Stelle zu halten, um sie vor Denaturierung zu schützen, während sie dennoch möglich sind Zugang zu gasförmigem CO2. Die unvernetzten Polymere wurden mit Photoinitiatoren und einer Lösung von Carboanhydrase gemischt und mit einer Spritzenpumpe durch eine feine Düse extrudiert. Der resultierende Faden wurde mit 280–450 nm UV-Licht gestrahlt, wodurch der Faden sofort aushärtete. Der Faden wird entweder als Monofilament zum späteren Weben aufgewickelt oder direkt in ein 2D-Gitter gedruckt.

Das Filament erwies sich als recht gut bei der CO2-Abscheidung und schaffte es, 24 % des Gases aus einer darüber geführten Mischung abzufangen. Darüber hinaus scheint das eingeschlossene Enzym recht stabil zu sein und Waschvorgänge mit verschiedenen Lösungsmitteln sowie physikalische Störungen wie Verdrehen und Biegen zu überstehen. Es handelt sich um eine spannende Entwicklung bei katalytischen Textilien, und neben den offensichtlichen Umweltvorteilen könnte so etwas den Bau und Betrieb billiger Bioreaktoren im industriellen Maßstab erleichtern.

Bildnachweis: [Sen Zhang] und [Jialong Shen], NC State; [Rachel Boyd], Spectrum News 1

[über Phys.org]