Multifunctional Biocomposite Materials from Chlorella vulgaris Microalgae

材料科学 生物复合材料 挤压 复合材料 环境友好型 普通小球藻 聚合物 化学工程 纳米技术 复合数 藻类 生物 生态学 工程类
作者
Israel Kellersztein,Daniel Tish,Jeremy Pederson,Martin Bechthold,Chiara Daraio
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202413618
摘要

Extrusion 3D-printing of biopolymers and natural fiber-based biocomposites enables the fabrication of complex structures, ranging from implants' scaffolds to eco-friendly structural materials. However, conventional polymer extrusion requires high energy consumption to reduce viscosity, and natural fiber reinforcement often requires harsh chemical treatments to improve adhesion. We address these challenges by introducing a sustainable framework to fabricate natural biocomposites using Chlorella vulgaris microalgae as the matrix. Through bioink optimization and process refinement, we produced lightweight, multifunctional materials with hierarchical architectures. Infrared spectroscopy analysis reveals that hydrogen bonding plays a critical role in the binding and reinforcement of Chlorella cells by hydroxyethyl cellulose (HEC). As water content decreases, the hydrogen bonding network evolves from water-mediated interactions to direct hydrogen bonds between HEC and Chlorella, enhancing the mechanical properties. A controlled dehydration process maintains continuous microalgae morphology, preventing cracking. The resulting biocomposites exhibit a bending stiffness of 1.6 GPa and isotropic heat transfer and thermal conductivity of 0.10 W/mK at room temperature, demonstrating effective thermal insulation. These characteristics make Chlorella biocomposites promising candidates for applications requiring both structural performance and thermal insulation, offering a sustainable alternative to conventional materials in response to growing environmental demands.
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