Kan bakterier gøre stærkere biler, fly og panser?

Biologiske systemer kan udnytte deres levende celler til vækst og regenerering, men det kan ingeniørsystemer ikke. Indtil nu.

Qiming Wang og forskere ved USC Viterbi School of Engineering udnytter levende bakterier til at skabe ingeniørmaterialer, der er stærke, tolerant, og modstandsdygtig. Forskningen er publiceret i Avancerede materialer .

"De materialer, vi laver, er levende og selvvoksende, " sagde Wang, Stephen Schrank Early Career Chair i Civil and Environmental Engineering og assisterende professor i civil- og miljøteknik i Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering (CEE). "Vi har været forbløffet over de sofistikerede mikrostrukturer af naturlige materialer i århundreder, især efter at mikroskoper blev opfundet til at observere disse små strukturer. Nu tager vi et vigtigt skridt fremad:Vi bruger levende bakterier som et værktøj til direkte at dyrke fantastiske strukturer, som ikke kan laves på egen hånd."

Forskerne arbejder med specifikke bakterier - S. pasteurii - kendt for at udskille et enzym kaldet urease. Når urease udsættes for urinstof og calciumioner, det producerer calciumcarbonat, en grundlæggende og stærk mineralforbindelse, der findes i knogler eller tænder. "Nøgleinnovationen i vores forskning, " sagde Wang, "er, at vi guider bakterierne til at dyrke calciumcarbonatmineraler for at opnå ordnede mikrostrukturer, der ligner dem i de naturlige mineraliserede kompositter."

Wang tilføjede:"Bakterier ved, hvordan man sparer tid og energi til at gøre ting. De har deres egen intelligens, og vi kan udnytte deres smarthed til at designe hybridmaterialer, der er overlegne i forhold til fuldsyntetiske muligheder.

At låne inspiration fra naturen er ikke nyt inden for teknik. Som man kunne mistænke, naturen har gode eksempler på komplekse mineraliserede kompositter, der er stærke, modstandsdygtig over for brud, og energidæmpning - for eksempel perlemor eller den hårde skal, der omgiver et bløddyr.

Wang sagde:"Selvom mikroorganismer som bakterier, svampe og viri er nogle gange skadelige ved at forårsage sygdomme - som COVID-19 - de kan også være gavnlige. Vi har en lang historie med at bruge mikroorganismer som fabrikker – f.eks. bruge gær til at lave øl. Men der er begrænset forskning i at bruge mikroorganismer til at fremstille tekniske materialer."

Ved at kombinere levende bakterier og syntetiske materialer, Wang sagde, at dette nye levende materiale demonstrerer mekaniske egenskaber, der er overlegne i forhold til ethvert naturligt eller syntetisk materiale, der i øjeblikket er i brug. Dette skyldes i høj grad materialets bouligandstruktur, som er kendetegnet ved flere lag af mineraler lagt i forskellige vinkler fra hinanden for at danne en slags "twist" eller spiralform. Denne struktur er svær at skabe syntetisk.

Wang arbejdede i samarbejde med USC Viterbi-forskere An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, og Kyung Hoon Lee. Yderligere support blev leveret af Lizhi Sun, professor i civilingeniør ved University of California, Irvine, og hans elev Shengwei Feng.

Hvad er i en form?

En af de vigtigste egenskaber ved en mineraliseret komposit, Wang sagde, er, at den kan manipuleres til at følge forskellige strukturer eller mønstre. Forskere har for længe siden observeret en mantis-rejes evne til at bruge sin "hammer" til at bryde en muskelskal op. Ser man nærmere på hans "hammer" - en køllelignende struktur eller hånd - de fandt det var arrangeret i en bouligand struktur. Denne struktur giver overlegen styrke i forhold til en, der er arrangeret i mere homogene vinkler - for eksempel veksler materialets gitterstruktur i 90 grader med hvert lag.

"At skabe denne struktur syntetisk er meget udfordrende i marken, " sagde Wang. "Så vi foreslog at bruge bakterier til at opnå det i stedet."

For at bygge materialet, forskerne 3-D printede en gitterstruktur eller et stillads. Denne struktur har tomme firkanter indeni sig, og gitterlagene er lagt i forskellige vinkler for at skabe stilladser på linje med den spiralformede form.

Bakterierne introduceres derefter til denne struktur. Bakterier kan i sig selv godt lide at hæfte sig på overflader og vil trække sig til stilladset, griber fat i materialet med deres "ben". Der vil bakterierne udskille urease, enzymet, der udløser dannelser af calciumcarbonatkrystaller. Disse vokser fra overfladen og op, til sidst at udfylde de bittesmå firkanter eller hulrum i den 3-D printede gitterstruktur. Bakterier som porøse overflader, Wang sagde, giver dem mulighed for at skabe forskellige mønstre med mineralerne.

Trifectaen

"Vi foretog mekaniske test, der viste, at styrken af ​​sådanne strukturer var meget høj. De var også i stand til at modstå revneudbredelse - brud - og hjælpe med at dæmpe eller sprede energi i materialet, " sagde An Xin, en CEE-doktorand.

Eksisterende materialer har vist enestående styrke, modstand mod brud, og energispredning, men kombinationen af ​​alle tre elementer har ikke vist sig at virke så godt som i de levende materialer, Wang og hans team skabte.

"Vi fabrikerede noget meget stift og stærkt, " sagde Wang. "De umiddelbare konsekvenser er for brug i infrastrukturer som rumfartspaneler og køretøjsrammer."

De levende materialer er relativt lette, tilbyder også muligheder for forsvarsapplikationer som panser eller køretøjsrustning. "Dette materiale kunne modstå kuglegennemtrængning og sprede energi fra dets frigivelse for at undgå skade, " sagde Yipin Su, en postdoc, der arbejder med Wang.

Der er endda potentiale for, at disse materialer genindføres til bakterier, når reparationer er nødvendige.

"En interessant vision er, at disse levende materialer stadig har selvvoksende egenskaber, " sagde Wang. "Når der er skade på disse materialer, vi kan indføre bakterier for at dyrke materialerne tilbage. For eksempel, hvis vi bruger dem i en bro, vi kan reparere skader, når
havde brug for."