حوزه بیومواد و زیست کامپوزیت ها شامل استفاده از منابع طبیعی و مواد زیستی برای ایجاد محصولات پایدار و سازگار با محیط زیست می شود. این خوشه موضوعی جنبه‌های مختلف مواد زیستی و کامپوزیت‌های زیستی، کاربردهای آنها و رابط با مهندسی فرآیند زیستی و شیوه‌های مهندسی سنتی را پوشش می‌دهد.
مواد زیستی: بلوک های ساختمانی طبیعت
مواد زیستی به موادی اطلاق می شود که از موجودات زنده یا منابع طبیعی تجدید پذیر به دست می آیند. این مواد می توانند در طیف وسیعی از کاربردها از جمله تجهیزات پزشکی، مهندسی بافت، بسته بندی، ساخت و ساز و صنایع خودروسازی استفاده شوند.
یکی از مزایای کلیدی مواد زیستی پایداری و زیست تخریب پذیری آنهاست که آنها را به جایگزینی جذاب برای مواد مصنوعی سنتی تبدیل می کند. نمونه های متداول مواد زیستی شامل سلولز، کیتوزان، آلژینات، کلاژن و ابریشم است که هر کدام دارای خواص منحصر به فرد و کاربردهای بالقوه هستند.
انواع مواد زیستی
1. پلیمرهای طبیعی: پلیمرهای زیستی مانند نشاسته، سلولز و پروتئین ها برای ایجاد موادی با خواص و کاربردهای متنوع استفاده می شوند.
2. بیوسرامیک: این مواد به دلیل زیست سازگاری و شباهت ساختاری با بافت طبیعی استخوان در ایمپلنت های پزشکی و دندانی مورد استفاده قرار می گیرند.
3. عینک های زیست فعال: این عینک ها توانایی پیوند با بافت های زنده را دارند و در بازسازی استخوان و کاربردهای ترمیم زخم مورد استفاده قرار می گیرند.
کامپوزیت های زیستی: اختراع مجدد مواد مهندسی
کامپوزیت های زیستی موادی هستند که مواد تقویت کننده مبتنی بر زیست را با یک ماتریس ترکیب می کنند تا محصولاتی قوی، سبک و پایدار ایجاد کنند. این کامپوزیت ها جایگزینی برای مواد سنتی ارائه می دهند که اثرات زیست محیطی را کاهش می دهد و اتکا به منابع تجدید ناپذیر را کاهش می دهد.
مواد تقویت کننده در بیو کامپوزیت ها می تواند شامل الیاف طبیعی مانند کتان، کنف، جوت و بامبو باشد، در حالی که ماتریکس می تواند از پلیمرهای زیستی مانند PLA (اسید پلی لاکتیک)، PHA (پلی هیدروکسی آلکانوآت ها) و پایه زیستی مشتق شود. اپوکسی ها
مزایای بیو کامپوزیت ها
1. پایداری محیطی: کامپوزیت های زیستی با استفاده از منابع تجدیدپذیر و ارائه قابلیت تجزیه زیستی در پایان چرخه عمر خود به کاهش ردپای کربن کمک می کنند.
2. عملکرد پیشرفته: ترکیب الیاف و ماتریس های مبتنی بر زیست می تواند خواص مکانیکی عالی مانند نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت در برابر ضربه را ارائه دهد.
3. کاربردهای متنوع: کامپوزیت های زیستی در قطعات خودرو، مواد هوافضا، مصالح ساختمانی، کالاهای مصرفی و بسته بندی استفاده می شوند و راه حل های همه کاره را در صنایع مختلف ارائه می دهند.
تقاطع با مهندسی فرآیندهای زیستی
مهندسی فرآیند زیستی شامل بکارگیری اصول مهندسی در طراحی، بهینه سازی و اجرای فرآیندهای بیولوژیکی، از جمله تولید مواد زیستی و کامپوزیت های زیستی است. این رشته چند رشته ای مفاهیم مهندسی شیمی، میکروبیولوژی، زیست شناسی مولکولی و بیوشیمی را برای توسعه فرآیندهای پایدار برای ایجاد محصولات با ارزش افزوده از منابع بیولوژیکی ادغام می کند.
در زمینه مواد زیستی و زیست کامپوزیت ها، مهندسی فرآیند زیستی نقش مهمی در موارد زیر ایفا می کند:
- پردازش بیولوژیکی مواد اولیه: از استخراج الیاف طبیعی تا جداسازی پلیمرهای مبتنی بر زیست، مهندسی فرآیند زیستی استفاده کارآمد و پایدار از مواد خام را تضمین می کند.
- تبدیل بیوشیمیایی: فرآیندهای آنزیمی و میکروبی برای تبدیل زیست توده خام به ماتریس های زیستی و مواد تقویت کننده برای کامپوزیت های زیستی بهینه شده اند.
- طراحی و بهینه‌سازی محصول: مهندسان بر روی توسعه مواد زیستی جدید با خواص و ویژگی‌های عملکردی مناسب کار می‌کنند و ادغام آنها در فرآیندهای تولید موجود را بهینه می‌کنند.
گرد هم آوردن مهندسی و علوم زیستی
تلاقی مواد زیستی، کامپوزیت های زیستی، مهندسی فرآیندهای زیستی و شیوه های مهندسی سنتی نشان دهنده ترکیبی هماهنگ از نوآوری علمی و پایداری است. محققان و مهندسان با استفاده از بلوک‌های ساختمانی طبیعت و تخصص مهندسی، پتانسیل مواد مبتنی بر زیستی را برای هدایت فناوری سبز و مقابله با چالش‌های زیست‌محیطی جهانی باز می‌کنند.