Forskare från Imperial College London har skapat 3D-byggstenar som kan läka sig själva som svar på skada.

De konstruerade levande materialen (ELM) utnyttjar biologins förmåga att läka och fylla på material och kan reagera på skador i tuffa miljöer med hjälp av ett sense-and-response-system.

Detta jobb, publiceras i Naturkommunikation , kan leda till skapandet av verkliga material som upptäcker och läker sin egen skada, som att fixa en spricka i en vindruta, en reva i flygplanskroppen eller ett hål i vägen. Genom att integrera byggstenarna i självläkande byggmaterial, forskare kan minska mängden underhåll som behövs och förlänga ett materials livslängd och användbarhet.

Huvudförfattaren professor Tom Ellis vid institutionen för bioteknik vid Imperial säger att "tidigare har vi skapat levande material med inbyggda sensorer som kan upptäcka miljösignaler och förändringar. Nu har vi skapat levande material som kan upptäcka skador och svara på det. genom att läka sig själva."

På samma sätt som arkitektur använder modulära delar som kan sättas ihop till en mängd olika byggnadsstrukturer, denna forskning visar att samma princip kan tillämpas på design och konstruktion av bakteriella cellulosabaserade material.

För att skapa ELM, forskarna genetiskt modifierade bakterier som kallas Komagataeibacter rhaeticus för att få dem att producera fluorescerande 3D-sfärformade cellkulturer, känd som sfäroider, och att ge dem sensorer som upptäcker skador. De arrangerade sfäroiderna i olika former och mönster, demonstrerar potentialen hos sfäroider som modulära byggstenar.

De använde en hålstans för att skada ett tjockt lager av bakteriell cellulosa - det ställningsliknande materialet som tillverkas av vissa bakterier som ELM produceras på. De förde sedan in de nyväxta sfäroiderna i hålen och, efter att ha inkuberat dem i tre dagar, såg utmärkt reparation som var strukturellt stabil och återställde materialets konsistens och utseende.

Professor Ellis säger att "genom att placera sfäroiderna i det skadade området och inkubera kulturerna, blocken kunde både känna av skadan och växa igen materialet för att reparera det."

Första författaren Dr. Joaquin Caro-Astorga från Imperials institution för bioteknik säger att deras "upptäckt öppnar ett nytt tillvägagångssätt där odlade material kan användas som moduler med olika funktioner som i konstruktion. Vi arbetar för närvarande med att hysa andra levande organismer inom sfäroiderna som kan leva tillsammans med de cellulosaproducerande bakterierna.

"De möjliga levande materialen som kan komma från detta är olika:till exempel, med jästceller som utsöndrar medicinskt relevanta proteiner, vi skulle kunna skapa sårläkande filmer där hormoner och enzymer produceras av ett bandage för att förbättra hudens reparation."

Tillväxten i popularitet för bakteriell cellulosa för dess enastående egenskaper är svaret på den globala utmaningen att hitta nya material med bättre anpassade funktionella beteenden.

Dr Patrick Rose, vetenskapschef för US Office of Naval Research Global London, som delfinansierade forskningen, säger att "utmaningen är att efterlikna och kombinera de distinkta funktionerna som biologi har att erbjuda. Vi försöker inte bara efterlikna dessa system, men ingenjörsbiologi för att ha ytterligare funktioner som är mer mottagliga för de behov vi söker utan direkt ingripande. I sista hand, vi vill öka livslängden på en produkt, förhindra systemfel innan problemet är synligt för blotta ögat och få materialet att tänka själv."

Nästa steg för denna grupp av forskare är att utveckla nya sfäroida byggstenar med olika egenskaper, som att kombinera dem med material som bomull, grafit och gelatin för att skapa mer komplexa mönster. Detta kan leda till nya applikationer som biologiska filter, implanterbar elektronik eller medicinska biosensorplåster.

"Bakteriella cellulosasfäroider som byggstenar för 3D och mönstrade levande material och för regenerering" av Ellis et al., publicerad 19 augusti 2021 i Naturkommunikation .