3D 打印細(xì)菌，以制造類骨復(fù)合材料

眾所周知，3D 打印的適用性幾乎覆蓋了所有材料，即使是非常規(guī)材料也可以實(shí)現(xiàn)制造，包括細(xì)胞、巧克力等。但是能否打印細(xì)菌呢？

2023年2月28日，南極熊獲悉， EPFL（écolePolytechnique Fédérale de Lausanne 又名瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）的研究人員已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。更具體地講，他們發(fā)表了一種使用含有產(chǎn)生碳酸鈣的細(xì)菌的墨水進(jìn)行 3D 打印的方法，由此產(chǎn)生的生物復(fù)合材料具有許多有趣的應(yīng)用，并且堅(jiān)固、輕便且環(huán)保。這項(xiàng)研究以題為“3D printing of living structural biocomposites”的論文被發(fā)表在《Materials Today》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000214?via%3Dihub#f0005

這當(dāng)然不是科學(xué)家們第一次轉(zhuǎn)向更廣闊的自然界來尋求新的增材制造解決方案。事實(shí)上，仿生學(xué)或模仿生命的實(shí)踐在 3D 打印中很流行，因?yàn)樗试S對(duì)零件進(jìn)行更多優(yōu)化，例如模仿蜂巢的格子結(jié)構(gòu)。這個(gè)項(xiàng)目背后有類似的邏輯。研究人員著眼于大自然，自然界的生物能夠生產(chǎn)出既輕又堅(jiān)固、多孔又堅(jiān)硬的復(fù)合材料（在實(shí)驗(yàn)室或工廠幾乎不可能做到），例如軟體動(dòng)物的殼或骨頭。最終，他們希望生產(chǎn)出具有這些特性同時(shí)又環(huán)保的材料?，F(xiàn)在有了這種 3D 打印墨水，他們就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

△通過結(jié)合載有細(xì)菌的墨水（稱為 BactoInk）和 3D 打印，科學(xué)家們成功地創(chuàng)造了一種堅(jiān)固、輕便且環(huán)保的生物復(fù)合材料

3D 打印細(xì)菌以創(chuàng)造更好的復(fù)合材料

在發(fā)表的論文中，EFPL 軟材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員3D 打印活體結(jié)構(gòu)生物復(fù)合材料概述了他們是如何創(chuàng)造這一過程的。也就是說，他們使用巴斯德氏孢子肉菌創(chuàng)建了一種可 3D 打印的墨水。 選擇這種細(xì)菌是因?yàn)樗哂幸环N有趣的能力，當(dāng)暴露于含尿素的溶液中時(shí)，會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生碳酸鈣 (CaCO3 ) 的礦化過程。這種名為 BactoInk 的新墨水幾乎可以打印任何形狀，然后會(huì)在幾天內(nèi)礦化。

△圖片摘要

選擇使用會(huì)礦化的墨水是因?yàn)樾枰鉀Q通常以墨水 3D 打印為中心的問題（即它們可能難以管理，因?yàn)樗鼈冃枰囟ǖ牧鲃?dòng)條件，并且在打印后往往會(huì)變軟或收縮)。軟材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Esther Amstad 解釋說：“因此，我們想出了一個(gè)簡(jiǎn)單的技巧：我們使用 BactoInk 打印了一個(gè)聚合物支架，而不是打印礦物，然后在第二個(gè)單獨(dú)的步驟中將其礦化。大約四天后，支架中細(xì)菌引發(fā)的礦化過程會(huì)產(chǎn)生礦物質(zhì)含量超過 90% 的最終產(chǎn)品?！?/div>

△研究項(xiàng)目的共同作者軟材料實(shí)驗(yàn)室研究人員 Matteo Hirsch 和 Lorenzo Lucherini

結(jié)果是他們制造出了一種堅(jiān)固且有彈性的生物復(fù)合材料，甚至可以使用標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印機(jī)生產(chǎn)。此外，最終產(chǎn)品不再含有活細(xì)菌。這種材料也特別有趣，因?yàn)樗粌H堅(jiān)固輕便，而且多孔，這在增材制造中很難實(shí)現(xiàn)。

研究人員已經(jīng)概述了該材料在不同領(lǐng)域的許多應(yīng)用。一種應(yīng)用當(dāng)然是修復(fù)藝術(shù)品，因?yàn)槟梢灾苯幼⑷氍F(xiàn)場(chǎng)，然后增長(zhǎng)以適應(yīng)裂縫或碎片。但由于使用了環(huán)保材料，建造人造珊瑚以再生受損的海洋珊瑚礁也可能非常令人興奮，因?yàn)檫@是一個(gè)緊迫的環(huán)境問題。

△藝術(shù)品修復(fù)

Amstad 總結(jié)道，“BactoInk 加工的多功能性，結(jié)合礦化材料對(duì)環(huán)境的低影響和優(yōu)異的機(jī)械性能，為制造比今天更接近天然材料的輕質(zhì)、承重復(fù)合材料開辟了許多新的可能性?！?