Funkcjonalne kompozyty metalo-organiczne na bazie nanocelulozy

  • Doktorant: mgr inż. Tomasz Bugajski
  • Promotor: dr hab. inż. Grzegorz Boczkal, prof. AGH
  • Promotor pomocniczy: dr inż. Paweł Pałka
  • Wydział Metali Nieżelaznych, AGH

Przegląd literatury

Schemat hierarchicznej budowy celulozy

Michelin, M., Gomes, D.G., Romaní, A., Polizeli, M.D.L.T.M., Teixeira, J.A., 2020. Nanocellulose Production: Exploring the Enzymatic Route and Residues of Pulp and Paper Industry. Molecules 25, 3411. https://doi.org/10.3390/molecules25153411

Przegląd literatury

  • BNC (Bacterial Nanocellulose): Sieć nanowłókien celulozowych produkowana przez bakterie Komagataeibacter xylinus

Sieć BNC

Marín, P., Martirani‐Von Abercron, S.M., Urbina, L., Pacheco‐Sánchez, D., Castañeda‐Cataña, M.A., Retegi, A., Eceiza, A., Marqués, S., 2019. Bacterial nanocellulose production from naphthalene. Microbial Biotechnology 12, 662–676. https://doi.org/10.1111/1751-7915.13399

Przegląd literatury

Zdjęcia SEM: a) BNC, b) Nanocząstek ZnO w BNC, c) Nanocząstek ZnO w BNC przy 40 kHz sonikacji, d) Nanocząstek ZnO w BNC przy 100 kHz sonikacji.

Mocanu, A. et al. Bacterial Cellulose Films with ZnO Nanoparticles and Propolis Extracts: Synergistic Antimicrobial Effect. Sci Rep 2019, 9 (1), 17687. https://doi.org/10.1038/s41598-019-54118-w.

Przegląd literatury

Zdjęcia SEM produktu Grizzly Carbonaut. Włókno węglowe + Al2O3

Johannes Wehner, 2026. Thermal Grizzly Carbonaut: Im Test. Tech-Review.de. URL https://www.tech-review.de/test-thermal-grizzly-carbonaut.html#im-detail

Przegląd literatury

  • Arias, S.L., Shetty, A.R., Senpan, A., Echeverry-Rendón, M., Reece, L.M., Allain, J.P. (2016). Fabrication of a Functionalized Magnetic Bacterial Nanocellulose with Iron Oxide Nanoparticles. JoVE, 52951. DOI: 10.3791/52951
  • Eskilson, O., Lindström, S.B., Sepulveda, B., Shahjamali, M.M., Güell‐Grau, P., Sivlér, P., Skog, M., Aronsson, C., Björk, E.M., Nyberg, N., Khalaf, H., Bengtsson, T., James, J., Ericson, M.B., Martinsson, E., Selegård, R., Aili, D. (2020). Self‐Assembly of Mechanoplasmonic Bacterial Cellulose–Metal Nanoparticle Composites. Adv Funct Materials, 30, 2004766. DOI: 10.1002/adfm.202004766
  • Eskilson, O., Ramanathan, S.K., Rietz, A.D., Guerrero-Florez, V., Selegård, R., Uvdal, K., Björk, E.M., Aili, D. (2024). Self-Assembly of Metal Nanoparticles in Bacterial Cellulose for the Fabrication of Soft Substrate-Supported Catalysts. ACS Appl. Nano Mater., 7, 6068–6078. DOI: 10.1021/acsanm.3c05981
  • Gallegos, A.M.A., Herrera Carrera, S., Parra, R., Keshavarz, T., Iqbal, H.M.N. (2016). Bacterial Cellulose: A Sustainable Source to Develop Value-Added Products – A Review. BioRes, 11, 5641–5655. DOI: 10.15376/biores.11.2.Gallegos
  • Wehner, J. (2026). Thermal Grizzly Carbonaut: Im Test. Tech-Review.de. URL: tech-review.de
  • Khalid, A., Ullah, H., Ul-Islam, M., Khan, R., Khan, S., Ahmad, F., Khan, T., Wahid, F. (2017). Bacterial cellulose–TiO2 nanocomposites promote healing and tissue regeneration in burn mice model. RSC Adv., 7, 47662–47668. DOI: 10.1039/C7RA06699F
  • Marín, P., Martirani‐Von Abercron, S.M., Urbina, L., Pacheco‐Sánchez, D., Castañeda‐Cataña, M.A., Retegi, A., Eceiza, A., Marqués, S. (2019). Bacterial nanocellulose production from naphthalene. Microbial Biotechnology, 12, 662–676. DOI: 10.1111/1751-7915.13399
  • Michelin, M., Gomes, D.G., Romaní, A., Polizeli, M.D.L.T.M., Teixeira, J.A. (2020). Nanocellulose Production: Exploring the Enzymatic Route and Residues of Pulp and Paper Industry. Molecules, 25, 3411. DOI: 10.3390/molecules25153411
  • Mocanu, A., Isopencu, G., Busuioc, C., Popa, O.-M., Dietrich, P., Socaciu-Siebert, L. (2019). Bacterial cellulose films with ZnO nanoparticles and propolis extracts: Synergistic antimicrobial effect. Sci Rep, 9, 17687. DOI: 10.1038/s41598-019-54118-w
  • Nakano, M., Fujiwara, T., Koga, N. (2016). Thermal Decomposition of Silver Acetate: Physico-Geometrical Kinetic Features and Formation of Silver Nanoparticles. J. Phys. Chem. C, 120, 8841–8854. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b02377
  • Nugroho, R.W.N., Tardy, B.L., Eldin, S.M., Ilyas, R.A., Mahardika, M., Masruchin, N. (2023). Controlling the critical parameters of ultrasonication to affect the dispersion state, isolation, and chiral nematic assembly of cellulose nanocrystals. Ultrasonics Sonochemistry, 99, 106581. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106581
  • Oprea, M., Panaitescu, D.M. (2020). Nanocellulose Hybrids with Metal Oxides Nanoparticles for Biomedical Applications. Molecules, 25, 4045. DOI: 10.3390/molecules25184045
  • Phatchayawat, P.P., Yodmuang, S., Phisalaphong, M. (2025). In Vitro Biodegradation and Biocompatibility of Bacterial Nanocellulose–Chitosan-Based Hydrogel Scaffolds for Bone Tissue Engineering. ACS Omega, 10, 43669–43686. DOI: 10.1021/acsomega.5c03747
  • Torres, F.G., Troncoso, O.P., Gonzales, K.N., Sari, R.M., Gea, S. (2020). Bacterial cellulose‐based biosensors. Med Devices & Sens, 3, e10102. DOI: 10.1002/mds3.10102
  • Vuangi, B.M., Zola, E.N., Kyana, J., Ntumba, J.K., Memvanga, P.B., Nuapia, Y.B. (2026). Nanocellulose–metallic nanoparticle composites: Antimicrobial properties and biomedical applications. International Journal of Biological Macromolecules, 349, 150535. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2026.150535
  • Wasim, M., Khan, M.R., Mushtaq, M., Naeem, A., Han, M., Wei, Q. (2020). Surface Modification of Bacterial Cellulose by Copper and Zinc Oxide Sputter Coating for UV-Resistance/Antistatic/Antibacterial Characteristics. Coatings, 10, 364. DOI: 10.3390/coatings10040364
  • Wasim, M., Mushtaq, M., Khan, S.U., Farooq, A., Naeem, M.A., Khan, M.R., Salam, A., Wei, Q. (2022). Development of bacterial cellulose nanocomposites: An overview of the synthesis of bacterial cellulose nanocomposites with metallic and metallic-oxide nanoparticles by different methods and techniques for biomedical applications. Journal of Industrial Textiles, 51, 1886S-1915S. DOI: 10.1177/1528083720977201
  • Yan, Y., Liu, L., Wang, F., Zhang, H. (2026). Bacterial cellulose as a promising biodegradable bioplastic for sustainability. Nat Commun.. DOI: 10.1038/s41467-026-71025-7
  • Zhang, T., Wang, W., Zhang, D., Zhang, X., Ma, Y., Zhou, Y., Qi, L. (2010). Biotemplated Synthesis of Gold Nanoparticle–Bacteria Cellulose Nanofiber Nanocomposites and Their Application in Biosensing. Adv Funct Materials, 20, 1152–1160. DOI: 10.1002/adfm.200902104

Teza badawcza

Możliwe jest wytworzenie kompozytu metalo-organicznego opartego o sieć włókien celulozowych implantowanych cząstkami metalu oraz wykorzystujące przestrzenne struktury metaliczne jako fazę zbrojącą.

Osadzanie proszków metali w BNC za pomocą ultradźwięków

Bioreaktor: Hodowla Statyczna

Bioreaktor: Hodowla Statyczna

Zastosowane proszki

Metal Wielkość cząstek (µm) Morfologia
Miedź < 63 Dendrytyczne
Brąz1 < 45 Sferyczne
Żelazo 3,5 - 6,5 Sferyczne
Cynk 3 - 4 Sferyczne

1Skład chemiczny: 11%w Sn, 89%w Cu.

Przygotowanie BNC

  1. Medium: 50 g nierafinowanego cukru trzcinowego, 750 mL wody, i 250 mL poprzedniego medium.
  2. Inkubacja: 10 dni w temperaturze pokojowej.
  3. Rafinacja Płukanie w 1M NaOH przez 15 minut, następnie trzykrotne płukanie w wodzie destylowanej
  4. Magazynowanie: Pozostawienie w wodzie destylowanej.

Animacja wzrostu BNC w hodowli statycznej

Przygotowanie próbek

  • Cięcie: Próbki pocięto na kwadraty o boku 2 cm.
  • Umieszczanie: Próbki umieszczono w naczyniu do sonikacji.
  • Napełnianie: Każde naczynie zostało wypełnione 5 mL 10% roztworem SLS i 0.5 mL proszku metalu.

Próbka BNC po cięciu

Sonikacja

  • Sonikacja: Dla każdego proszku przygotowano 6 wariantów czasowych (5, 10, 20, 30, 45, 60 sekund). Sonikację prowadzono dla parametrów 28 kHz i 240 W.
  • Płukanie: Próbki płukano wodą destylowaną aby usunąć luźny proszek
  • Suszenie: Próbki suszono między dwoma płytami ze stali nierdzewnej obciążonymi 1 kg ciężarkiem.

Schemat stanowiska badawczego do sonikacji

Próbki BNC po sonikacji

Wyliczone pokrycie powierzchni próbek przez proszki metali

Zdjęcia SEM: Próbki BNC z Cu przy 10 s sonikacji

Zdjęcia SEM: Próbki BNC z CuSn przy 10 s sonikacji

Zdjęcia SEM: Próbki BNC z Fe przy 10 s sonikacji

Zdjęcia SEM: Próbki BNC z Zn przy 10 s sonikacji

Kompozyty metali z nanowłóknem węglowym na bazie BNC

Przygotowanie próbek

  • Suszenie: BNC wyciągnięto z wody destylowanej i suszono między dwoma płytami ze stali nierdzewnej obciążonymi 1 kg ciężarkiem.
  • Cięcie: BNC pocięto na kwadraty o boku 1 cm.
  • Nasycanie: Próbki zanurzono w 0.5M roztworze AgNO3 na 5 minut, a następnie w 3.5M roztworze CH3(COO)Na na 10 minut.
  • Płukanie: Próbki wypłukano w wodzie destylowanej.
  • Piroliza: Próbki umieszczono w wysokotemperaturowym piecu LORA 1700 w atmosferze argonu. Dwie próbki z Ag umieszczono w temperaturze 500°C i 1000°C. Jedną próbkę referencyjną umieszczono w 1000°C.

Przebieg temperatury pirolizy w funkcji czasu

Zdjęcia SEM: BNC po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 500°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 500°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 500°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 500°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 500°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 1000°C

Zdjęcia SEM: BNC ze srebrem po pirolizie w 1000°C

Podsumowanie

  • Kształt cząstek metalu decyduje o ich interakcji z BNC. Dendrytyczne (np. miedź) lepiej się zakotwiczają i pokrywają powierzchnię.
  • Cząstki sferyczne (brąz, żelazo, cynk) wykazują niski stopień interakcji z podłóżem z powodu słabo rozwiniętej powierzchni.
  • Cynk tworzy po sonikacji porowate struktury o silnie rozwiniętej powierzchni, korzystne pod kątem katalizy.
  • Dla miedzi najlepszy efekt uzyskano dla czasu sonikacji 10 s.
  • BNC poddane procesowi karbonizacji tworzy kruchą, płatkową strukturę
  • Możliwe jest na drodze pirolizy wytworzenie cząstek Ag na powierzchni i wewnątrz BNC po karbonizacji

Osiągnięcia

  • Bugajski, T., Boczkal, G., Pałka, P., 2026. Influence of Metal Powder Particle Geometry on Ultrasonically Embedded Nanocellulose Composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, doi: artykuł w trakcie recenzji
  • Bugajski, T., Boczkal, G., Pałka, P., 2025. Modification of bacterial nanocellulose with metal powders, in: SIM Szkoła Inżynierii Materiałowej [Dokument Elektroniczny] : Kraków, 7–8 Maja 2025. pp. 14–15.
  • Bugajski, Tomasz (2026), “Image-Based Estimation of Metal Powder Coverage on Ultrasound-Treated Bacterial Nanocellulose”, Mendeley Data, V1, doi: 10.17632/btb99v4kcf.1

Plan pracy – semestry 1–4

Semestr Zadanie Status
1 Studia literaturowe ✅ Gotowe
Przygotowanie modeli 3D ✅ Gotowe
2 Druk 3D aparatury ✅ Gotowe
Przygotowanie elektroniki ✅ Gotowe
3 Programowanie elektroniki ✅ Gotowe
Przygotowanie stanowiska badawczego ✅ Gotowe
Wstępne eksperymenty i testy ✅ Gotowe
Przygotowanie artykułu do międzynarodowego czasopisma ✅ Gotowe
4 Przygotowanie proszków metalicznych ✅ Gotowe
Przygotowanie siatek metalicznych ✅ Gotowe

Plan pracy – semestry 5–8

Semestr Zadanie Status
5 Wyprodukowanie kompozytu z proszkami metalicznymi 🔨 W toku
Badanie własności kompozytu z proszków metalicznych 🔨 W toku
6 Wyprodukowanie kompozytu z siatek metalicznych 🔨 W toku
Badanie własności kompozytu z siatek metalicznych 📌 Planowane
Udział w konferencji naukowej ✅ Gotowe
7 Przygotowanie tekstu rozprawy doktorskiej 📌 Planowane
Przygotowanie artykułu do międzynarodowego czasopisma 🔨 W toku
8 Redakcja rozprawy doktorskiej i przygotowanie dokumentacji 📌 Planowane

Dziękuję za uwagę!