Med hjälp av tekniken, forskarna har skapat finjusterade strukturer som denna modell av lungalveoler. Kredit:Valeria Azovskaya
Ett team vid Aalto-universitetet har använt bakterier för att producera intrikat designade tredimensionella föremål gjorda av nanocellulosa. Med sin teknik, forskarna kan vägleda tillväxten av bakteriekolonier genom användning av starkt vattenavvisande eller superhydrofoba ytor. Objekten visar en enorm potential för medicinsk användning, inklusive stödjande vävnadsregenerering eller som ställningar för att ersätta skadade organ. Resultaten har publicerats i tidskriften ACS Nano .
Till skillnad från fibrösa föremål tillverkade med nuvarande 3D-utskriftsmetoder, den nya tekniken tillåter fibrer, med en diameter tusen gånger tunnare än ett människohår, att vara inriktad i vilken riktning som helst, även över lager, och olika gradienter av tjocklek och topografi, öppnar upp för nya möjligheter för tillämpning inom vävnadsregenerering. Dessa typer av fysiska egenskaper är avgörande för stödmaterial vid tillväxt och regenerering av vissa typer av vävnader som finns i muskler såväl som i hjärnan.
"Det är som att ha miljarder små 3D-skrivare som får plats i en flaska, " förklarar Luiz Greca, doktorand vid Aalto-universitetet. "Vi kan tänka på bakterierna som naturliga mikrorobotar som tar de byggstenar som de får och, med rätt ingång, skapa komplexa former och strukturer."
En gång i en superhydrofob form med vatten och näringsämnen — socker, proteiner och luft – de aeroba bakterierna producerar nanocellulosa. Den superhydrofoba ytan fångar i huvudsak ett tunt lager av luft, som uppmanar bakterierna att skapa en fibrös biofilm som replikerar ytan och formen på mögeln. Med tid, biofilmen blir tjockare och föremålen blir starkare.
De nanocellulosafibrer som bakterierna skapar är ungefär tusen gånger tunnare än bredden på ett människohår. Kredit:Luiz Greca
Med hjälp av tekniken, teamet har skapat 3D-objekt med fördesignade funktioner, mäter från en tiondel av diametern på ett enda hårstrå ända upp till 15-20 centimeter. Fibrerna i nanostorlek orsakar inte negativa reaktioner när de kommer i kontakt med mänsklig vävnad. Metoden kan också användas för att odla realistiska modeller av organ för att utbilda kirurger eller för att förbättra noggrannheten i in vitro-tester.
"Det är verkligen spännande att utöka detta område av biotillverkning som drar fördel av starka cellulosananofibrer och nätverken de bildar. Vi undersöker applikationer för åldersrelaterad vävnadsdegeneration, med denna metod som ett steg framåt i denna och andra riktningar, säger forskargruppsledaren professor Orlando Rojas. Han tillägger att bakteriestammen som används av teamet, Komagataeibacter medellinensis, upptäcktes på en lokal marknad i staden Medellin, Colombia, av tidigare medarbetare från Universidad Pontificia Bolivariana. Både inom natur och teknik, superhydrofoba ytor är designade för att minimera vidhäftningen av dammpartiklar och mikroorganismer. Detta arbete förväntas öppna nya möjligheter för att använda superhydrofoba ytor för att exakt producera naturligt tillverkade material.
En superhydrofob beläggning fångar ett luftlager mellan mögel och bakteriekultur, styr tillväxten av nanocellulosafiber. Kredit:Luiz Greca
Eftersom bakterierna kan avlägsnas eller lämnas kvar i det slutliga materialet, 3D-objekten kan också utvecklas som en levande organism över tiden. Fynden ger ett viktigt steg mot att utnyttja full kontroll över bakteriellt tillverkade material.
"Vår forskning visar verkligen behovet av att förstå både de fina detaljerna i bakteriers interaktion vid gränssnitt och deras förmåga att göra hållbara material. Vi hoppas att dessa resultat också kommer att inspirera forskare som arbetar på både bakterieavvisande ytor och de som gör material från bakterier, " säger Dr Blaise Tardy.
