Selvhelbredende levende materialer brugt som 3D byggeklodser

Imperial College London-forskere har skabt 3D-byggeklodser, der kan helbrede sig selv som reaktion på skader.

De konstruerede levende materialer (ELM'er) udnytter biologiens evne til at helbrede og genopbygge materiale og kan reagere på skader i barske miljøer ved hjælp af et sense-and-response-system.

Dette arbejde, udgivet i Naturkommunikation , kunne føre til skabelsen af ​​materialer fra den virkelige verden, der opdager og helbreder deres egen skade, såsom at reparere en revne i en forrude, en flænge i flykroppen eller et hul i vejen. Ved at integrere byggestenene i selvhelbredende byggematerialer, videnskabsmænd kunne reducere mængden af ​​nødvendig vedligeholdelse og forlænge et materiales levetid og anvendelighed.

Hovedforfatter professor Tom Ellis fra Institut for Bioteknik ved Imperial siger, at "tidligere har vi skabt levende materialer med indbyggede sensorer, der kan registrere miljømæssige signaler og ændringer. Nu har vi skabt levende materialer, der kan opdage skader og reagere på det. ved at helbrede sig selv."

På samme måde som arkitektur bruger modulære stykker, der kan samles i en række forskellige bygningsstrukturer, denne forskning viser, at det samme princip kan anvendes til design og konstruktion af bakterielle cellulosebaserede materialer.

For at oprette ELM'er, forskerne gensplejsede bakterier kaldet Komagataeibacter rhaeticus for at få dem til at producere fluorescerende 3D-kugleformede cellekulturer, kendt som sfæroider, og for at give dem sensorer, der registrerer skader. De arrangerede sfæroiderne i forskellige former og mønstre, demonstrere potentialet af sfæroider som modulære byggesten.

De brugte et hul til at beskadige et tykt lag af bakteriel cellulose - det stilladslignende materiale fremstillet af nogle bakterier, som ELM'er er produceret på. De indsatte derefter de nyvoksede sfæroider i hullerne og, efter at have inkuberet dem i tre dage, så fremragende reparation, der var strukturelt stabil og genoprettede materialets konsistens og udseende.

Professor Ellis siger, at "ved at placere sfæroiderne i det beskadigede område og inkubere kulturerne, blokkene var i stand til både at mærke skaden og vokse materialet igen for at reparere det."

Første forfatter Dr. Joaquin Caro-Astorga fra Imperial's Department of Bioengineering siger, at deres "opdagelse åbner en ny tilgang, hvor dyrkede materialer kan bruges som moduler med forskellige funktioner som i byggeri. Vi arbejder i øjeblikket på at være vært for andre levende organismer inden for de sfæroider, der kan leve sammen med de celluloseproducerende bakterier.

"De mulige levende materialer, der kan komme fra dette, er forskellige:f.eks. med gærceller, der udskiller medicinsk relevante proteiner, vi kunne generere sårhelende film, hvor hormoner og enzymer produceres af en bandage for at forbedre hudens reparation."

Væksten i popularitet af bakteriel cellulose for dens enestående egenskaber er svaret på den verdensomspændende udfordring med at finde nye materialer med bedre skræddersyet funktionel adfærd.

Dr. Patrick Rose, videnskabelig direktør for US Office of Naval Research Global London, som delfinansierede forskningen, siger, at "udfordringen er at efterligne og kombinere de særskilte funktioner biologi har at tilbyde. Vi forsøger ikke kun at efterligne disse systemer, men ingeniørbiologi for at have yderligere funktioner, der er mere modtagelige for de behov, vi søger uden direkte indgriben. Ultimativt, vi ønsker at forlænge et produkts levetid, forhindre systemfejl, før problemet er synligt for det blotte øje, og få materialet til at tænke selv."

Det næste skridt for denne gruppe af forskere er at udvikle nye sfæroide byggesten med forskellige egenskaber, såsom at kombinere dem med materialer som bomuld, grafit og gelatine for at skabe mere komplekse designs. Dette kan føre til nye applikationer som biologiske filtre, implanterbar elektronik eller medicinske biosensorplastre.

"Bakterielle cellulosesfæroider som byggesten til 3D og mønstrede levende materialer og til regenerering" af Ellis et al., offentliggjort 19. august 2021 i Naturkommunikation .