Forskere bruger bakterier som mikro-3D-printere

Et hold ved Aalto-universitetet har brugt bakterier til at producere kompliceret designede tredimensionelle objekter lavet af nanocellulose. Med deres teknik, forskerne er i stand til at guide væksten af ​​bakteriekolonier gennem brug af stærkt vandafvisende eller superhydrofobe overflader. Objekterne viser et enormt potentiale for medicinsk brug, herunder understøttende vævsregenerering eller som stilladser til at erstatte beskadigede organer. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

I modsætning til fibrøse genstande fremstillet ved hjælp af nuværende 3-D-udskrivningsmetoder, den nye teknik tillader fibre, med en diameter tusind gange tyndere end et menneskehår, skal justeres i enhver retning, selv på tværs af lag, og forskellige gradienter af tykkelse og topografi, åbner nye muligheder for anvendelse i vævsregenerering. Disse former for fysiske egenskaber er afgørende for støttematerialer i vækst og regenerering af visse typer væv, der findes i muskler såvel som i hjernen.

"Det er som at have milliarder af bittesmå 3D-printere, der passer ind i en flaske, " forklarer Luiz Greca, en ph.d.-studerende ved Aalto Universitet. "Vi kan tænke på bakterierne som naturlige mikrorobotter, der tager de byggesten, de får, og, med det rigtige input, skabe komplekse former og strukturer."

En gang i en superhydrofob form med vand og næringsstoffer - sukker, proteiner og luft - de aerobe bakterier producerer nanocellulose. Den superhydrofobe overflade fanger i det væsentlige et tyndt lag luft, som inviterer bakterierne til at skabe en fibrøs biofilm, der kopierer overfladen og formen af ​​skimmelsvampen. Med tiden, biofilmen bliver tykkere, og genstandene bliver stærkere.

Ved hjælp af teknikken, teamet har skabt 3D-objekter med foruddesignede funktioner, måler fra en tiendedel af diameteren af ​​et enkelt hår helt op til 15-20 centimeter. Fibrene i nanostørrelse forårsager ikke uønskede reaktioner, når de bringes i kontakt med menneskeligt væv. Metoden kan også bruges til at udvikle realistiske modeller af organer til træning af kirurger eller til at forbedre nøjagtigheden af ​​in vitro-testning.

"Det er virkelig spændende at udvide dette område af biofremstilling, der udnytter stærke cellulose nanofibre og de netværk, de danner. Vi udforsker applikationer til aldersrelateret vævsdegeneration, med denne metode er et skridt fremad i denne og andre retninger, " siger forskningsgruppeleder professor Orlando Rojas. Han tilføjer, at stammen af ​​bakterier, som holdet bruger, Komagataeibacter medellinensis, blev opdaget på et lokalt marked i byen Medellin, Colombia, af tidligere samarbejdspartnere fra Universidad Pontificia Bolivariana. Både i natur og teknik, superhydrofobe overflader er designet til at minimere vedhæftningen af ​​støvpartikler såvel som mikroorganismer. Dette arbejde forventes at åbne nye muligheder for at bruge superhydrofobe overflader til præcist at fremstille naturligt fremstillede materialer.

Da bakterierne kan fjernes eller efterlades i det endelige materiale, 3D-objekterne kan også udvikle sig som en levende organisme over tid. Resultaterne giver et vigtigt skridt i retning af at udnytte fuld kontrol over bakterielt fremstillede materialer.

"Vores forskning viser virkelig behovet for at forstå både de fine detaljer af bakteriers interaktion ved grænseflader og deres evne til at lave bæredygtige materialer. Vi håber, at disse resultater også vil inspirere videnskabsmænd, der arbejder på både bakterieafvisende overflader og dem, der fremstiller materialer fra bakterier, " siger Dr. Blaise Tardy.