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Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-11-01 - 2023-10-31

Lignin ist das am häufigsten vorkommende erneuerbare aromatische Biopolymer. Durch verschiedenste industrielle Umwandlungsprozesse von Holz oder Einjahrespflanzen in der Zellstoff- und Papierindustrie, wird das Molekül noch entschieden verändert. In Folge gewinnt man Lignin in großen Mengen und chemisch modifizierter Form als „technisches Lignin“. Derzeit geht man von einer jährlichen Produktion von ca. 70 Mio. t weltweit aus. Trotz großtechnischer Verfügbarkeit werden über 95% des gewonnenen Lignins energetisch genutzt. Die daraus gewonnene und rückgeführte Energie hat zur Folge, dass Prozesse der Zellstoff- und Papierindustrie als weitgehend energieautark gelten. Die Diskrepanz zwischen Verfügbarkeit und der sehr begrenzten realen Nutzung von Lignin stellt seit Jahrzehnten eine große Herausforderung für die akademische und industrielle Forschung – mit unterschiedlicher Intensität und Erfolg – da. Aufgrund eines weltweiten Umdenkens, hervorgerufen durch die Klimakrise und steigender Kohlendioxid-Emissionen, zeigt sich ein deutlicher Trend zum nachhaltigen Umgang mit Rohstoffen und einer bioökonomischen Gesamtgestaltung verschiedenster Prozesse. Lignin hat dadurch als Rohstoffquelle ein neues Momentum erlangt und gilt als „Keyplayer“ in der Substitution von erdölbasierten Rohstoffen und Materialien durch nachwachsender Rohstoffe. Dies ist durch die Zunahme der Forschungsintensität und dem dadurch hervorgerufenen exponentiellen Anstieg von Lignin-Patenten der letzten Jahre erkennbar. Jedoch geht die Umsetzung der vorhanden, zweifellos praktikablen Ideen und deren großtechnischen Anwendungen deutlich langsamer voran. Daher stellt sich die Frage ob und warum wir noch nicht in der Lage sind, technische Lignine analog zur Cellulose oder Erdöl vollständig zu verstehen und zu nutzen? Während wir für Cellulose und deren Produkte seit über hundert Jahre Prozessketten zur Herstellung von Cellulose basierten Produkten wie Papier, Fasern oder anderen Derivaten haben, ist Lignin lediglich ein Abfallprodukt. Dessen hoher energetischer Wert zwar dankend zur positiven Energiebilanz der Prozesse herangezogen wurde aber sonst nur als Nischenprodukt (Lignosulfonat) eine echte stoffliche Anwendung gefunden hat. Durch Verfahren wie Lignoboost (Thomani, 2009) die bereits großtechnisch verfügbar und in Anwendung sind, wurde die Isolation von technischen Ligninen aus den Ablaugen des Kraftzellstoffprozesses ermöglicht und macht technisches Lignin zur weiteren Verarbeitung praktisch weltweit verfügbar.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-07-01 - 2021-06-30

Oxidative Modification von Cellulose Ziel der geplanten Arbeiten ist es, schlanke, kosteneffiziente und umweltfreundliche chemische Wege zu finden, um die Eigenschaften von Kraftzellstoff für thermoplastische Materialien zu verbessern. Die Cellulosekette ist von Natur aus steif, was eine der Ursachen für das hohe Tg und Tm ist. Die Forschung zielt darauf ab, die Mobilität der Cellulosekette durch Methoden der Spaltung der Oxidationskette zu erhöhen, um die H-Bindungen verringern.
Forschungsprojekt aus §26 oder §27 Mitteln
Laufzeit : 2020-06-01 - 2021-10-24

Mechanische und funktionelle Gradienten sind Gründe für die Vielzahl von biologischen Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Mechanische Gradienten sind räumliche, nahtlose Übergange von weichen zu mechanisch stabilen Strukturen in Materialien mit beachtenswerten mechanischen Eigenschaften. Im Falle der in vivo Zellumgebung, der extra-zellulären Matrix, gibt es nicht nur mechanische, sondern auch funktionelle Gradienten, wie z.B. eine ansteigende Konzentration von bioaktiven Molekülen in einer Dimension. Diese Gradienten spielen eine wichtige Rolle in der Entwicklung von einzelnen Zellen zu Geweben und Organen. Die Nachahmung dieser multidimensionalen Strukturen mittels biokompatibler und formbarer Materialien unter Verwendung einer effektive 3D-Druckmethode ist eine wichtige Herausforderung in der Forschung und Thema dieses Antrags. Die Forschungshypothese ist die Entwicklung einer neuartigen Gradientdruckmethode, mit dem Namen 5D-Click-Druck, durch Kombination von innovativer Drucktechnologie mit neusten funktionellen Materialien und Gelierungsmethoden. Dies wird realisiert mit einer Drucktinte aus funktioneller Nanocellulose und Polyoxazolinen zur Herstellung von 3D-Objekten mit mechanischen (+1D) und funktionellen Gradienten (+1D). Cellulosenanofibrillen und Polyoxazline wurden als Materialien ausgesucht auf Grund ihrer Biokompatibilität, Druckbarkeit und der jeweiligen Ähnlichkeit zu den beiden Hauptbestandteilen der extrazellulären Matrix, den fadenförmigen Proteinen und den nicht faserigen Glykoproteinen. Eine gezielte chemische Funktionalisierung dieser Materialien wird eine spontane Gelierung nach dem Drucken ermöglichen. Dieser Prozess ist biokompatibel und kann auch in Anwesenheit von lebenden Zellen verwendet werden. Die Kombination der beiden funktionalisierten Polymere mit einer neu entwickelten Gradientdrucktechnologie, der Queensland University of Technology (QUT), wird die Herstellung von multidimensionalen Objekten, mit mechanischen und funktionellen Gradienten, ermöglichen. Das QUT in Brisbane (Australien) ist ein führendes Kompetenzzentrum im Bereich 3D-Druck. Das Forschungsvorhaben wird von Prof. Hutmacher betreut werden, ein weltweit führender Wissenschaftler im Gebiet Additive Manufacturing und Direktor des „Australian Research Council Industrial Transformation Training Center in Additive Biomanufacturing“. Weiterhin, wird A/Prof. Dargaville Antragsteller als Mitbetreuer unterstützen. Während der Rückkehrphase zur Gruppe von Prof. Rosenau an der Universität für Bodenkultur Wien werden gesammeltes Wissen und Erfahrung angewendet, um einen fortschrittlichen Gradient-Drucker am Heiminstitut zu etablieren. Die 5D-Click-Druck Technologie wird im Heiminstitut weiterentwickelt, um komplexe Hydrogele mit verschiedenen Funktionalitäten herzustellen. An Hand dieser Gele werden Charakterisierungstechniken getestet und verglichen, um damit eine ausgereifte Methodik zur Visualisierung von Gradienten in Hydrogelen zu etablieren. 5D-Click-Druck wird die erste effektive und direkte Methode zur Herstellung von formbaren Hydrogelen mit funktionellen und mechanischen Gradienten sein. Die entwickelte Methode wird dazu verwendet werden, komplexe bioinspirierte Gewebemodelle für die biomedizinische Anwendung, und gradierte Membranen für die chromatographische Auftrennung von komplexen Biopolymermischungen, herzustellen.

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