После переработки этот порошкообразный материал может быть использован для производства целого ряда экологически чистых предметов.
На первый взгляд, лаборатория Нам-Джуна Чо в Сингапурском технологическом университете Наньян выглядит как типичное исследовательское учреждение - усердно работающие учёные, заставленные рабочими столами, гул машин на заднем плане. Но оранжево-жёлтые пятна на лабораторных халатах, висящих на крючках, намекают на менее обычный предмет исследования.
Порошкообразные пятна - это пыльца: микроскопические зёрна, содержащие мужские репродуктивные клетки, которые деревья, сорняки и травы выделяют сезонно. Но Чо не изучает такие неприятные явления, как сенная лихорадка, или значение пыльцы для растений, которые её производят.
Вместо этого исследователь-материаловед провёл десять лет, разрабатывая и совершенствуя технологии по изменению жёсткой внешней оболочки пыльцы, состоящей из полимера, настолько прочного, что его иногда называют «алмазом растительного мира», превращая зёрна в консистенцию, похожую на джем.
Чо считает, что этот микрогель может стать универсальным строительным блоком для многих экологически чистых материалов, включая бумагу, плёнку и губки.
Особые качества пыльцы
«Многие люди считают пыльцу, когда она не оплодотворяет растения или не служит пищей для насекомых, бесполезной пылью, но она имеет ценное применение, если знать, как с ней работать», - говорит Чо, который является соавтором обзора перспективных применений пыльцы в ежегодном обзоре химической и биомолекулярной инженерии за 2024 год.
Он не единственный учёный, который так считает.
Ноэми Чаба, исследователь в области нанотехнологий и доставки лекарственных веществ в Университете Сантьяго-де-Компостела в Испании, хочет разработать полые оболочки пыльцы в качестве защитных носителей для доставки лекарств в
глаза, лёгкие и желудок.
Исследователи, изучающие полезность пыльцы для людей, являются редким явлением, по словам Чаба. «Я нахожу это немного удивительным», - говорит она. «Пыльца - очень, очень интересный биоматериал».
Смягчение оболочки
Чтобы начать работу с пыльцой, учёные могут удалить липкое покрытие вокруг зёрен в процессе, называемом обезжириванием. Удаление этих липидов и аллергенных белков - первый шаг в создании пустых капсул для доставки лекарств, которые ищет Чаба. Однако помимо этого, казавшаяся непроницаемой оболочка пыльцы, состоящая из биополимера спорополленина, долгое время ставила исследователей в тупик и ограничивала её использование.
Прорыв произошёл в 2020 году, когда Чо и его команда сообщили, что инкубация пыльцы в щелочном растворе гидроксида калия при температуре 80 градусов по Цельсию может значительно изменить химический состав поверхности пыльцевых зёрен, позволяя им легко поглощать и удерживать воду.
«Полученная пыльца становится такой же пластичной, как и пластилин», - говорит Шахрудин Ибрагим, научный сотрудник лаборатории Чо, который помогал разрабатывать эту технологию.
До обработки пыльцевые зёрна больше похожи на шарики: твёрдые, инертные и в основном нереактивные. После обработки частицы становятся настолько мягкими, что легко склеиваются, позволяя формировать более сложные структуры. «Это открывает множество возможностей для применения», - говорит Ибрагим, с гордостью поднимая в лаборатории пробирку с жёлто-коричневой кашицей.
Фото: knowablemagazine.org
При выливании на плоскую форму и высушивании микрогель собирается в бумагу или плёнку, в зависимости от конечной толщины, которая является прочной, но гибкой. Он также чувствителен к внешним воздействиям, включая изменения pH и влажности. Под воздействием щелочного раствора полимеры, входящие в состав пыльцы, становятся более гидрофильными, или водолюбивыми, поэтому в зависимости от условий гель разбухает или сжимается из-за поглощения или выделения воды.
Перспективное применение
Сингапурские исследователи считают, что это выигрышное сочетание свойств делает плёнку на основе пыльцы перспективной для многих будущих применений: интеллектуальных приводов, которые позволяют устройствам обнаруживать изменения в окружающей среде и реагировать на них, носимых устройств для отслеживания здоровья, которые контролируют сердечные сигналы, и многого другого.
А поскольку пыльца естественным образом защищает от ультрафиолета, существует вероятность, что она может заменить некоторые фотонно-активные подложки в перовскитных солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах.
Лаборатория Чо также продемонстрировала, что на бумаге, изготовленной из пыльцы, можно печатать. По словам Чо, который запатентовал процесс производства микрогеля, она может стать экологичной альтернативой традиционной бумаге для письма, печати и упаковки.
Производство традиционной бумаги уничтожает деревья и требует больших затрат ресурсов: на каждую страницу требуется до 13 литров воды, а пыльца естественным образом выделяется в больших количествах из семенных растений, и для получения бумаги требуется всего несколько простых шагов её переработки.
Чернила можно удалить простым промыванием щелочным раствором - этот процесс позволяет повторно использовать бумагу. Кроме того, лиофилизированный микрогель из пыльцы образует пористые губки. Их можно использовать для изготовления таких вещей, как каркасы для тканевой инженерии, или для остановки кровотечения или поглощения разливов нефти.
Многообразие пыльцы
Команда Чо обычно работает с пыльцой подсолнечника и камелии, которую они недорого закупают в виде смеси пчелиной пыльцы, в основном
из Китая. Но они утверждают, что их метод щелочного гидролиза хорошо подходит для широкого спектра видов растений.
«Пыльца доступна в изобилии», - добавляет Чо. «Например, один цветок обычного подсолнечника производит от 25 до 67 тысяч зёрен каждое лето. Кроме того, её легко собирать с пчёл в коммерческих ульях».
«Продукты на основе пыльцы ещё не готовы к выходу на рынок», - говорит Ибрагим «Сейчас главное - предсказать проблемы и разработать устойчивые решения». При работе с другими биоматериалами, такими как хитозан и целлюлоза, необходимо уничтожать ракообразных или деревья. По сравнению с этим, пыльца требует гораздо меньше ресурсов.
«Мы не уничтожаем растения», - утверждает он. «Мы даже не уничтожаем цветы».