Biologiska system kan utnyttja sina levande celler för tillväxt och regenerering, men ingenjörssystem kan inte. Tills nu.

Qiming Wang och forskare vid USC Viterbi School of Engineering utnyttjar levande bakterier för att skapa tekniska material som är starka, tolerant, och motståndskraftig. Forskningen är publicerad i Avancerade material .

"Materialen vi gör är levande och självväxande, sa Wang, Stephen Schranks tidig karriärordförande i civil- och miljöteknik och biträdande professor i civil- och miljöteknik vid Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering (CEE). "Vi har varit förvånade över de sofistikerade mikrostrukturerna av naturliga material i århundraden, speciellt efter att mikroskop uppfanns för att observera dessa små strukturer. Nu tar vi ett viktigt steg framåt:Vi använder levande bakterier som ett verktyg för att direkt odla fantastiska strukturer som inte kan göras på egen hand."

Forskarna arbetar med specifika bakterier - S. pasteurii - känd för att utsöndra ett enzym som kallas ureas. När ureas utsätts för urea och kalciumjoner, det producerar kalciumkarbonat, en grundläggande och stark mineralförening som finns i ben eller tänder. "Den viktigaste innovationen i vår forskning, sa Wang, "är att vi vägleder bakterierna att odla kalciumkarbonatmineraler för att uppnå ordnade mikrostrukturer som liknar dem i de naturliga mineraliserade kompositerna."

Wang tillade:"Bakterier vet hur man sparar tid och energi för att göra saker. De har sin egen intelligens, och vi kan utnyttja deras smarthet för att designa hybridmaterial som är överlägsna helsyntetiska alternativ.

Att låna inspiration från naturen är inget nytt inom tekniken. Som man skulle misstänka, naturen har bra exempel på komplexa mineraliserade kompositer som är starka, frakturbeständig, och energidämpning – till exempel pärlemor eller det hårda skalet som omger ett blötdjur.

Wang sa:"Även om mikroorganismer som bakterier, svampar och viri är ibland skadliga för att orsaka sjukdomar – som covid-19 – de kan också vara fördelaktiga. Vi har en lång historia av att använda mikroorganismer som fabriker, t.ex. använda jäst för att göra öl. Men det finns begränsad forskning om att använda mikroorganismer för att tillverka tekniska material."

Genom att kombinera levande bakterier och syntetiska material, Wang sa att detta nya levande material uppvisar mekaniska egenskaper som är överlägsna egenskaperna hos alla naturliga eller syntetiska material som för närvarande används. Detta beror till stor del på materialets bouligandstruktur, som kännetecknas av flera lager av mineraler som läggs i olika vinklar från varandra för att bilda en sorts "twist" eller spiralform. Denna struktur är svår att skapa syntetiskt.

Wang arbetade i samarbete med USC Viterbi-forskarna An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, och Kyung Hoon Lee. Ytterligare support gavs av Lizhi Sun, professor i civilingenjör vid University of California, Irvine, och hans elev Shengwei Feng.

Vad är i form?

En av nyckelegenskaperna hos en mineraliserad komposit, Wang sa, är att den kan manipuleras för att följa olika strukturer eller mönster. Forskare observerade för länge sedan förmågan hos en mantisräka att använda sin "hammare" för att bryta upp ett muskelskal. När man tittar på hans "hammare" - en klubbliknande struktur eller hand - närmare, de fann att det var arrangerat i en bouligandstruktur. Denna struktur erbjuder överlägsen hållfasthet än en som är arrangerad i mer homogena vinklar - till exempel alternerar materialets gitterstruktur i 90 grader med varje lager.

"Att skapa den här strukturen syntetiskt är mycket utmanande på fältet, " sa Wang. "Så vi föreslog att man skulle använda bakterier för att uppnå det istället."

För att bygga materialet, forskarna 3-D tryckte en gitterstruktur eller ställning. Denna struktur har tomma rutor inom sig och gitterskikten läggs i olika vinklar för att skapa ställningar i linje med den spiralformade formen.

Bakterierna introduceras sedan till denna struktur. Bakterier gillar att fästa på ytor och kommer att dras till byggnadsställningarna, tar tag i materialet med sina "ben". Där kommer bakterierna att utsöndra ureas, enzymet som utlöser bildningar av kalciumkarbonatkristaller. Dessa växer från ytan och upp, fyller så småningom i de små rutorna eller tomrummen i den 3-D-printade gallerstrukturen. Bakterier som porösa ytor, Wang sa, så att de kan skapa olika mönster med mineralerna.

Trifecta

"Vi gjorde mekaniska tester som visade att hållfastheten hos sådana strukturer var mycket hög. De kunde också motstå sprickutbredning - sprickor - och hjälpa till att dämpa eller avleda energi i materialet, sa An Xin, en CEE-doktorand.

Befintliga material har visat exceptionell styrka, frakturmotstånd, och energiförlust men kombinationen av alla tre element har inte visat sig fungera lika bra som i de levande material som Wang och hans team skapade.

"Vi tillverkade något väldigt styvt och starkt, "Wang sa. "De omedelbara konsekvenserna är för användning i infrastrukturer som flygpaneler och fordonsramar."

De levande materialen är relativt lätta, erbjuder även alternativ för försvarstillämpningar som kroppsrustning eller fordonsrustning. "Detta material kan motstå kulpenetrering och avleda energi från dess frigöring för att undvika skador, " sa Yipin Su, en postdoc som arbetar med Wang.

Det finns till och med potential för dessa material att återinföras till bakterier när reparationer behövs.

"En intressant vision är att dessa levande material fortfarande har självväxande egenskaper, " Wang sa. "När det finns skador på dessa material, vi kan introducera bakterier för att odla materialen tillbaka. Till exempel, om vi använder dem i en bro, vi kan reparera skador när
behövs."