מדענים מאוניברסיטת רייס ומאוניברסיטת יוסטון הציגו שיטה חדשה לייצור חומר ביולוגי בעל חוזק גבוה המבוסס על צלולוזה חיידקית, שעשוי להפוך לאחת החלופות לפלסטיקים פטרוכימיים. המחקר, שפורסם ב- Nature Communications ביולי 2025, מתאר ביו-סינתזה ניתנת להרחבה, שבה החיידקים "בונים" את מבנה החומר תחת בקרה של זרימת נוזל, ולא באופן כאוטי כפי שקורה בתנאים רגילים.
את העבודה הנחה מוחמד מקסוד רחמן, מרצה בכיר במחלקה להנדסת מכונות ואווירונאוטיקה באוניברסיטת יוסטון ובשיתוף עם אוניברסיטת רייס. המחבר הראשי של המאמר הוא הדוקטורנט מרייס מ.א.ס.ר. סעדי, ובפרויקט השתתפו גם שיאם בהאקטה (רייס), וכן המהנדסים ומדעני החומרים פוליקל אג'איאן, מתיו בנט, מטאו פסקואלי ואחרים. את העבודה מימנו מספר קרנות אמריקאיות, ובהן הקרן הלאומית למדע של ארצות הברית, אנדאומנט פור פורסטרי אנד קומיוניטיז וקרן ולש.
כיצד פועלת הטכנולוגיה
בדרך כלל צלולוזה חיידקית גדלה בצורה של רשת רפויה של ננו-סיבים בעלי כיווניות כאוטית, דבר המגביל את חוזקה ואת עמידותה בעומסים. בגישה החדשה, החוקרים יצרו ביו-ריאקטור מסתובב, שבו זרימת הנוזל קובעת את כיוון התנועה של החיידקים גלוקונאצטובקטר ובהתאם לכך, את הכיווניות של הסיבים שהם מפרישים.
תחת הידרודינמיקה מבוקרת, הצליחו המדענים להפיק יריעות דחוסות המיושרות לכיוון אחד, עם חוזק מתיחה של עד כ-436 מגה-פסקל. בגרסה היברידית, עם החדרת ננו-לוחות של בורון ניטריד במהלך תהליך הצמיחה, החוזק הגיע לכ-553 מגה-פסקל, והמוליכות התרמית של החומרים הייתה גבוהה פי שלושה מזו של צלולוזה חיידקית רגילה. כל זה קורה בשלב אחד, בטמפרטורת החדר, ללא ממסים רעילים וללא צורך בתנאי התסיסה המורכבים המצויים בטבע.
ידידותיות לסביבה, תכונות ויישומים אפשריים
ה"נייר-פלסטיק" החיידקי נותר מתכלה ביולוגית ואינו דורש שריפה או עיבוד תרמו-כימי, בניגוד לרוב הפולימרים הסינתטיים. בנוסף, הטכנולוגיה מאפשרת להשתמש במצעים פשוטים יחסית, ובעתיד אף בפסולת חקלאית כבסיס תזונתי לתסיסה, דבר התומך ברעיון של ייצור זול וניתן להרחבה.
המדענים רואים את היישום של החומר החדש במספר כיוונים:
- אריזה, שבה הוא עשוי להחליף חלק מיריעות הפלסטיק והקופסאות החד-פעמיות;
- רכיבים לרכב ולבנייה, שבהם נדרשים חוזק וקלילות;
- אלמנטים לוויסות תרמי, למשל, חלקים לפינוי חום מרכיבים אלקטרוניים;
- טקסטיל ואלקטרוניקה "ירוקה", כולל מסכים גמישים וחיישנים;
- מערכות אנרגיה וחומרים מרוכבים, שבהם חשובים חוזק ועמידות בעומסים.
מגבלות ומדוע זו אינה "מהפכה של מחר"
על אף הפוטנציאל המבטיח, החומר עדיין אינו מוכן להחליף לחלוטין את הפלסטיקים המסורתיים, לא מבחינת היקף ולא מבחינת עלות. לצורך הטמעה תעשייתית יידרש:
- להקים ייצור בקנה מידה גדול;
- לפתור סוגיות של תקינה ורגולציה;
- להוכיח אמינות לטווח ארוך בתנאים קליניים, בתנאי רכב ובתנאים תעשייתיים.
עם זאת, הצוות של אוניברסיטת רייס ואוניברסיטת יוסטון מציג את הטכנולוגיה כאחת הראשונות שבהן ידידותיות לסביבה אינה דורשת פשרות על חוזק ויציבות. בשנים הקרובות הם מתכננים לפתח קווי פיילוט בשיתוף עם שותפים תעשייתיים, וכן לחקור מודיפיקציות חדשות של החומר עבור תחומי שימוש ייעודיים.
