Biologische systemen kunnen hun levende cellen gebruiken voor groei en regeneratie, maar technische systemen kunnen dat niet. Tot nu.

Qiming Wang en onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering gebruiken levende bacteriën om technische materialen te maken die sterk, verdraagzaam, en veerkrachtig. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

"De materialen die we maken zijn levend en groeien zelf, " zei Wang, de Stephen Schrank Early Career Chair in Civil and Environmental Engineering en universitair docent civiele en milieutechniek aan de Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering (CEE). "We staan ​​al eeuwen versteld van de verfijnde microstructuren van natuurlijke materialen, vooral nadat microscopen waren uitgevonden om deze kleine structuren te observeren. Nu zetten we een belangrijke stap voorwaarts:we gebruiken levende bacteriën als hulpmiddel om direct verbazingwekkende structuren te laten groeien die we niet alleen kunnen maken."

De onderzoekers werken met specifieke bacteriën - S. pasteurii - bekend om het afscheiden van een enzym dat urease wordt genoemd. Wanneer urease wordt blootgesteld aan ureum- en calciumionen, het produceert calciumcarbonaat, een fundamentele en sterke minerale verbinding die wordt aangetroffen in botten of tanden. "De belangrijkste innovatie in ons onderzoek, " zei Wang, "is dat we de bacteriën begeleiden om calciumcarbonaatmineralen te laten groeien om geordende microstructuren te bereiken die vergelijkbaar zijn met die in de natuurlijke gemineraliseerde composieten."

Wang voegde toe:"Bacteriën weten hoe ze tijd en energie kunnen besparen om dingen te doen. Ze hebben hun eigen intelligentie, en we kunnen hun slimheid benutten om hybride materialen te ontwerpen die superieur zijn aan volledig synthetische opties.

Inspiratie halen uit de natuur is niet nieuw in de techniek. Zoals men zou vermoeden, de natuur heeft geweldige voorbeelden van complexe gemineraliseerde composieten die sterk zijn, breukvast, en energiedemping, bijvoorbeeld parelmoer of de harde schaal rond een weekdier.

Wang zei:"Hoewel micro-organismen zoals bacteriën, schimmels en viri zijn soms schadelijk bij het veroorzaken van ziekten, zoals COVID-19, ze kunnen ook gunstig zijn. We hebben een lange geschiedenis in het gebruik van micro-organismen als fabrieken, bijvoorbeeld gist gebruiken om bier te maken. Maar er is beperkt onderzoek gedaan naar het gebruik van micro-organismen om technische materialen te maken."

Door levende bacteriën en synthetische materialen te combineren, Wang zei dat dit nieuwe levende materiaal mechanische eigenschappen vertoont die superieur zijn aan die van enig natuurlijk of synthetisch materiaal dat momenteel in gebruik is. Dit komt grotendeels door de bouligandstructuur van het materiaal, die wordt gekenmerkt door meerdere lagen mineralen die onder verschillende hoeken van elkaar zijn gelegd om een ​​soort "draai" of helicoïdale vorm te vormen. Deze structuur is moeilijk synthetisch te maken.

Wang werkte samen met USC Viterbi-onderzoekers An Xin, Jipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, en Kyung Hoon Lee. Extra ondersteuning werd geboden door Lizhi Sun, hoogleraar civiele techniek aan de Universiteit van Californië, Irvine, en zijn leerling Shengwei Feng.

Wat zit er in een vorm?

Een van de belangrijkste eigenschappen van een gemineraliseerde composiet, Wang zei, is dat het kan worden gemanipuleerd om verschillende structuren of patronen te volgen. Onderzoekers hebben lang geleden het vermogen waargenomen van een bidsprinkhaangarnaal om zijn "hamer" te gebruiken om een ​​spierschil open te breken. Als we zijn "hamer" - een knotsachtige structuur of hand - nader bekijken, ze ontdekten dat het was gerangschikt in een bouligand-structuur. Deze structuur biedt een superieure sterkte ten opzichte van een structuur die onder meer homogene hoeken is gerangschikt, bijvoorbeeld door de roosterstructuur van het materiaal onder 90 graden af ​​te wisselen met elke laag.

"Het synthetisch maken van deze structuur is een hele uitdaging in het veld, " zei Wang. "Dus stelden we voor om in plaats daarvan bacteriën te gebruiken."

Om het materiaal te bouwen, de onderzoekers 3D een roosterstructuur of steiger geprint. Deze structuur heeft lege vierkanten en de roosterlagen zijn onder verschillende hoeken gelegd om een ​​steiger te creëren in lijn met de spiraalvormige vorm.

De bacteriën worden vervolgens in deze structuur geïntroduceerd. Bacteriën hechten intrinsiek graag aan oppervlakken en zullen aangetrokken worden door de steiger, met hun "benen" het materiaal vastgrijpen. Daar scheiden de bacteriën urease af, het enzym dat de vorming van calciumcarbonaatkristallen veroorzaakt. Deze groeien van het oppervlak naar boven, uiteindelijk het invullen van de kleine vierkanten of holtes in de 3D-geprinte roosterstructuur. Bacteriën houden van poreuze oppervlakken, Wang zei, waardoor ze verschillende patronen met de mineralen kunnen creëren.

De Trifecta

"We hebben mechanische tests gedaan die aantoonden dat de sterkte van dergelijke structuren erg hoog was. Ze waren ook in staat om scheurvoortplanting - breuken - te weerstaan ​​en om de energie in het materiaal te dempen of te dissiperen, " zei An Xin, een CEE-promovendus.

Bestaande materialen hebben een uitzonderlijke sterkte getoond, breukvastheid, en energiedissipatie, maar het is niet aangetoond dat de combinatie van alle drie de elementen zo goed werkt als in de levende materialen die Wang en zijn team hebben gemaakt.

"We hebben iets heel stijfs en sterks gefabriceerd, " zei Wang. "De onmiddellijke implicaties zijn voor gebruik in infrastructuren zoals ruimtevaartpanelen en voertuigframes."

De levende materialen zijn relatief licht van gewicht, biedt ook opties voor defensietoepassingen zoals kogelvrije vesten of voertuigbepantsering. "Dit materiaal kan de kogelpenetratie weerstaan ​​en de energie van het vrijkomen ervan afvoeren om schade te voorkomen, " zei Yipin Su, een postdoc die samenwerkt met Wang.

Het is zelfs mogelijk dat deze materialen opnieuw in bacteriën worden geïntroduceerd wanneer reparaties nodig zijn.

"Een interessante visie is dat deze levende materialen nog steeds zelfgroeiende eigenschappen hebben, Wang zei. "Als er schade is aan deze materialen, we kunnen bacteriën introduceren om de materialen terug te laten groeien. Bijvoorbeeld, als we ze in een brug gebruiken, wij kunnen schade herstellen wanneer:
nodig zijn."