Nanocellulose har gjennom de siste årene blitt et svært viktig materiale innen flere teknologiske og industrielle områder, inkludert biomedisinske applikasjoner, miljøvennlig emballasje, og som forsterkningsmateriale i kompositter. Dette skyldes hovedsakelig dens unike strukturelle egenskaper, som gjør den både sterk og lett, samt dens biologiske nedbrytbarhet og muligheter for overflatefunksjonalisering.

Hydrogeler basert på nanocellulose har fått økende oppmerksomhet, særlig på grunn av deres bruk i biomedisinske applikasjoner som sårbehandling, vevsteknologi og kontrollert legemiddellevering. Slike hydrogeler kombinerer de mekaniske og kjemiske egenskapene til nanocellulose med vanninnholdet som gir dem elastisitet og høyt vannholdingskapasitet. Dette gjør dem til et ideelt valg for både biologiske og industrielle applikasjoner, hvor fuktighet, mekanisk styrke og tilpasningsevne til miljøforhold er viktige faktorer.

Forskning på nanocellulosebaserte hydrogeler har vist hvordan disse materialene kan tilpasses for å reagere på forskjellige stimuli, som pH- og temperaturforandringer, noe som åpner for bruk i systemer for kontrollert medikamentfrigjøring. Eksempelvis har cellulosenanofibriller og -krystaller blitt modifisert for å forbedre deres mekaniske egenskaper og biokompatibilitet, noe som er avgjørende for utviklingen av hydrogeler som kan brukes til vevregenerering eller til å behandle kroniske sår.

Spesifikke kjemiske eller fysiske interaksjoner mellom cellulose og andre komponenter i hydrogelene kan videre forbedre deres evne til å binde seg til biologiske materialer eller kontrollere frigjøringstempoet av aktive stoffer. Eksempler på slike modifikasjoner inkluderer tverrbinding av cellulosekomponenter for å styrke gelens struktur eller infusjon av naturlige antimikrobielle midler som bromelain, for å øke de terapeutiske egenskapene til hydrogelen.

Nanocellulose har også blitt anvendt i utviklingen av grønnere alternativer til plast og andre ikke-bionedbrytbare materialer. Når cellulose utvinnes fra fornybare kilder, kan det brukes til å lage bioplast eller biologisk nedbrytbare emballasjematerialer som kan erstatte tradisjonelle, petroleumsbaserte plasttyper. Denne utviklingen er spesielt viktig i en tid hvor miljøhensyn er blitt avgjørende i vurderingen av materialvalg i industrien. Cellulosebaserte hydrogeler kan også spille en rolle i emballasje, som ved matbevaring, hvor de kan bidra til å redusere bruk av konvensjonelle plastfilmer.

En annen viktig utvikling er bruken av nanocellulose i elektroniske applikasjoner. Hydrogeler laget av cellulosenanofibriller har vist seg å være gode ledere for elektrisk strøm, og det er gjort betydelig fremgang med å utvikle selvhelende ledende hydrogeler som kan brukes i fleksible elektronikkkomponenter. Dette har åpnet for potensielle applikasjoner i både medisinsk elektronikk og bærekraftige teknologier.

Men som med enhver teknologisk utvikling, er det fortsatt utfordringer knyttet til produksjon, kostnadseffektivitet og skala. Nanocellulose er fortsatt et dyrt materiale å produsere i stor skala, og det er nødvendig med mer forskning for å forbedre produksjonsprosesser og gjøre materialet tilgjengelig for kommersiell bruk på bred front. Spesielt er det behov for bedre forståelse av de mekaniske og strukturelle egenskapene til nanocellulose under forskjellige forhold for å maksimere bruken i praktiske applikasjoner.

Det er også viktig å være oppmerksom på hvordan disse materialene oppfører seg i miljøet. Selv om nanocellulose er biologisk nedbrytbar, er det fortsatt usikkerhet om hvordan små nanopartikler av cellulose kan påvirke økosystemer når de slippes ut i naturen. Denne problematikken krever nøye vurdering og videre forskning for å sikre at bruken av nanocellulose ikke fører til utilsiktede miljøkonsekvenser.

Videre bør forskere og utviklere ha i bakhodet at nanocellulose ikke er en universell løsning for alle applikasjoner. Selv om dens egenskaper er imponerende, er det fortsatt mange materialer som kanskje er mer egnede for spesifikke bruksområder. For eksempel kan tradisjonelle plastmaterialer fortsatt være mer kostnadseffektive og praktiske for bestemte bruksområder som ikke krever de spesifikke fordelene ved nanocellulose, som biokompatibilitet eller pH-følsomhet.

Hvordan behandling av naturlige fibre påvirker cellulosestrukturen og egenskapene til nanocellulose

Behandlinger som påvirker naturlige fibre transformerer cellulose I til cellulose II, en prosess som har blitt dokumentert av flere forskere (Brown & Jurasek, 1979; Oudiani et al., 2011). Men informasjon om røntgendiffraksjon (XRD) av cellulosenanofibre (CNF) er relativt knapp i litteraturen. Den gjennomførte studien viste at CNF-ene hadde brede og sammenflettede diffraksjonstopper som flyttet seg mot lavere vinkler. Generelt viser diffraksjonstopper fra naturlige fibre som er malt med baller også en forskyvning mot mindre vinkler, et resultat av at de krystallinske diffraksjonstoppene utvides og overlappes med stadig sterkere amorfe diffraksjoner (Brown & Jurasek, 1979). I denne studien ble det også observert at høytrykksmekanisk sliping som brukes i produksjon av CNF, kan deformere eller til og med ødelegge cellulosekrystaller, noe som resulterer i bredere og skiftede diffraksjonstopper (Lee et al., 2012).

Verdiindeksen for krystallinitet (CI) beregnet ved både Segal-metoden og Jade-programvaren viser at cellulose nanokrystaller (CNC) har høyere krystallinitet enn CNF, noe som samsvarer med mikrostukturen til de to typene nanofibre. Likevel viser de to metodene store forskjeller i CI-verdier, med Jade-programvaren som gir en høyere verdi for CNC og lavere for CNF. Disse forskjellene skyldes Segal-metodens forenkling og de resulterende unøyaktighetene (Park et al., 2010).

De mekaniske egenskapene til CNF og CNC, som er isolert fra ulike kilder som bakterier, tunikater og planter, varierer betydelig avhengig av hvilke metoder som benyttes (for eksempel syrebehandling, enzymer, mekanisk behandling og oksidative metoder) (Sacui et al., 2014). Denne variasjonen skyldes ulike kilde- og behandlingsmetoder som benyttes i litteraturen, og kan være utfordrende å sammenligne uten en standardisert testmetode. Generelt sammenlignes cellulose nanofibre (som CNF, CNC og BC) med andre viktige nanomaterialer som nanoleire, karbon nanotuber og grafen, og viser seg å ha eksepsjonelle mekaniske egenskaper. For eksempel varierer Youngs modulus for CNC mellom 18 og 50 GPa (Lahiji et al., 2010), mens BC har en modulus på 78 GPa (Guhados et al., 2005). I noen studier er Youngs modulus for CNC rapportert å nå 130 GPa, med en strekkfasthet på 10 GPa (Tanpichai et al., 2012). CNC viser også et svært lavt termisk ekspansjonskoeffisient (CTE) og lav varmeledningsevne (Diaz et al., 2014). Disse ekstraordinære mekaniske og termiske egenskapene, sammen med et stort overflateareal og lav densitet, gjør CNC og CNF ideelle for utvikling av miljøvennlige polymer nanokompositter.

De kjemiske egenskapene til nanocellulose har stor betydning for de mekaniske egenskapene til komposittene, da fiber/polymergrensesnittet påvirker sammensetningen. Polymere som PVA, PAM, PEG og PEO har grupper som kan danne hydrogenbindinger, og kan derfor interagere med hydroksylgrupper (-OH), sulfatgrupper (-OSO₃⁻) eller karboksylgrupper (-COO⁻) som introduseres under syrebehandling eller TEMPO-oksidasjon under syntesen av cellulose nanofibre (Zhang et al., 2015). CNF-ene kan acetyles for å forbedre deres spredbarhet i ikke-polare løsninger som silikonsolje. Acetylgruppen (-COCH₃) dannes ved reaksjon mellom de aktive hydroksylgruppene på CNFs overflate og eddiksyre eller acetanhydrid (Tingaut et al., 2010). Dette reduserer deres hydrofilitet og forbedrer spredbarheten i ikke-polare medier som silikonsolje. Den stabiliserte dispersjonen av acetylert CNF i silikonsolje og chloroform gjør det mulig å spinne disse fibrene ved elektrospinning til trådets kjerne i kjerneskall-fibre.

Cellulose nanofibre er rike på -OH-grupper på overflaten og har blitt intensivt undersøkt for å funksjonalisere nanofibrene til ulike applikasjoner gjennom esterifisering, silylering, polymergrafting og acetylasjon (Peng et al., 2011). Disse overflatefunksjonaliseringsmetodene forbedrer deres spredbarhet i ulike løsemidler og polymermatriser, noe som åpner for utvidede bruksområder i nanoteknologirelaterte applikasjoner som nanokompositter, legemiddellevering, proteinkonsentrasjon og reaksjonshjelpemidler for uorganiske materialer.

Når det gjelder termisk stabilitet, kan cellulosestrukturen variere litt mellom forskjellige kilder. Rå cellulosematerialer som bomullslinter har en termisk nedbrytningstemperatur på omtrent 360–370°C, og bomullslinter viser høyest nedbrytningstemperatur sammenlignet med andre kilder som kattfot og hardved, som har en nedbrytningstemperatur på rundt 361°C (Hai & Seo, 2018). Nanofibrillering ved mekanisk sliping resulterer i et betydelig lavere nedbrytningstemperatur for de nanofibrillerte celluloseprøvene (NFC), som viser en nedbrytningstemperatur som er 19–24°C lavere enn deres rå cellulosematerialer. Til tross for den reduserte termiske stabiliteten for NFC, viste bomullsbaserte NFC-prøver fortsatt den høyeste termiske nedbrytningstemperaturen sammenlignet med andre nanocellulosematerialer. Dette tyder på at kilden til cellulose, i tillegg til behandlingsmetodene, spiller en avgjørende rolle for de termiske egenskapene til de resulterende nanocellulosebaserte materialene.

Endelig har nanocellulose et bredt spekter av potensielle egenskaper som kan tilpasses gjennom overflatebehandling, og dette kan ikke bare bevare de opprinnelige egenskapene, men også introdusere nye, for eksempel hydrofobe egenskaper (Wijaya et al., 2014). Dette gir flere muligheter for innovasjon i ulike industrielle og teknologiske applikasjoner.

Hvordan cellulosebehandling fra biomasse og dens derivatisering til karboksymetylcellulose påvirker industrien og miljøet

Cellulose, et av de mest tilgjengelige og bærekraftige polymerene i naturen, har blitt et emne for intens forskning på grunn av dens brede potensial i forskjellige industrielle applikasjoner. Fra den tidlige oppdagelsen av cellulose til dagens avanserte nanocellulose-teknologier har det vært en konstant utvikling innen cellulosebehandling og dens derivatisering. Spesielt har karboksymetylcellulose (CMC), en viktig modifikasjon av cellulose, fått økt oppmerksomhet for sine mange industrielle bruksområder, fra medisinsk teknologi til miljøvennlig vannbehandling.

Behandlingen av cellulose fra biomasse starter ofte med en prosess hvor naturlig forekommende cellulose ekstraheres og deretter kjemisk modifiseres for å forbedre dens egenskaper. Dette kan inkludere reaksjoner som oksidasjon, cationisering eller fysiske prosesser som mekanisk bearbeiding. Blant de mest interessante kjemiske modifikasjonene finner vi karboksymetylcellulose, som er dannet ved å substituere hydroxylgrupper i cellulose med karboksymetylgrupper. Denne prosessen gir cellulose et negativt ladet karakter, noe som forbedrer dens vannløselighet og gjør det til et nyttig materiale for mange applikasjoner.

Karboksymetylcellulose er et anvendelig materiale på grunn av sine viskositet-modulerende egenskaper, som har gjort det til en viktig komponent i farmasøytiske produkter, kosmetikk, matvarer, og til og med som et fortykningsmiddel i industrielle formuleringer. Det har også blitt brukt som en effektiv adsorbent for tungmetaller og organiske kjemikalier i vannbehandlingsprosesser. Cellulose derivater har videre applikasjoner i medisin, spesielt i utviklingen av legemiddelutslippssystemer og biologiske materialer. For eksempel har funksjonaliseringen av cellulose nanokristaller (CNC) blitt undersøkt som et potensielt drug-delivery-system, hvor den kjemiske modifikasjonen kan kontrollere frigjøring og målretting av medikamenter.

Cellulosebehandling og dens derivatisering kan bidra til utviklingen av mer miljøvennlige teknologier. Ved å bruke naturlige polysakkarider som cellulose som base, kan vi redusere bruken av syntetiske og petroleumsbaserte materialer. Dette kan redusere miljøpåvirkningen fra plastavfall og gi mer bærekraftige alternativer for emballasje, isolasjon og andre industrielle bruksområder. En annen interessant utvikling er den mulige bruken av nanocellulose i solenergi- og batteriteknologier, som kan bidra til å forbedre både effektiviteten og bærekraften i energisektoren.

En av de mest lovende anvendelsene av modifisert cellulose er i utviklingen av biomedisinske materialer. Nanocellulose og dens derivater kan brukes i alt fra biosensorer til antibakterielle belegg, og på grunn av deres naturlige opprinnelse og biokompatibilitet, er de ideelle kandidater for applikasjoner innen medisin og helsevesen. For eksempel er nanocellulosebehandlede overflater kjent for å ha gode antimikrobielle egenskaper, noe som gjør dem ideelle for bruk i medisinske implantater og sårbehandling.

Men til tross for disse fordelene er det også utfordringer forbundet med behandling og derivatisering av cellulose. En av de største utfordringene er kontrollen av molekylære strukturer og deres innvirkning på materialegenskaper som mekanisk styrke, biokompatibilitet og nedbrytbarhet. For eksempel er det nødvendig med en nøye vurdering av reaksjonsbetingelsene og kjemiske modifikasjoner for å unngå uønskede egenskaper som reduserer materialets ytelse eller øker produksjonskostnadene.

En annen viktig faktor er den økonomiske levedyktigheten av produksjonsprosesser som involverer modifisert cellulose. Den økende etterspørselen etter bærekraftige materialer har ført til økt forskning på metoder som kan gjøre produksjonen av cellulosederivater mer kostnadseffektiv. For eksempel har metoder som enzymer eller grønne kjemikalier blitt introdusert for å redusere miljøpåvirkningen av produksjonsprosessene.

Det er også viktig å merke seg at ikke alle cellulosederivater er like bærekraftige. For eksempel kan noen kjemiske modifikasjoner føre til dannelse av produkter som ikke er lett nedbrytbare eller som kan ha negative effekter på miljøet over tid. Derfor er det nødvendig med strenge tester og evalueringer av de miljømessige konsekvensene av cellulosederivater for å sikre at de virkelig gir en positiv innvirkning på bærekraften i industrien.

Et viktig aspekt som ofte overses er den potensielle rollen som cellulosebaserte materialer kan spille i den grønne kjemi-revolusjonen. Ved å bruke naturlige polysakkarider som byggesteiner, kan vi utvikle materialer og prosesser som reduserer behovet for fossile brensler og giftige kjemikalier. Dette kan ikke bare bidra til en mer bærekraftig industri, men også tilby løsninger for noen av de mest presserende miljøutfordringene vi står overfor i dag, som forurensning og plastavfall.

Hvordan kombinere farger for å skape et harmonisk resultat i møbelmaleri