Onderzoekers van het Imperial College London hebben 3D-bouwstenen gemaakt die zichzelf kunnen genezen als reactie op schade.

De gemanipuleerde levende materialen (ELM's) maken gebruik van het vermogen van de biologie om materiaal te genezen en aan te vullen en kunnen reageren op schade in ruwe omgevingen met behulp van een gevoel-en-responssysteem.

Dit werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , kan leiden tot de creatie van materialen uit de echte wereld die hun eigen schade detecteren en genezen, zoals het repareren van een barst in een voorruit, een scheur in de romp van een vliegtuig of een kuil in de weg. Door de bouwstenen te integreren in zelfherstellende bouwmaterialen, wetenschappers kunnen de hoeveelheid onderhoud die nodig is verminderen en de levensduur en bruikbaarheid van een materiaal verlengen.

Hoofdauteur professor Tom Ellis van de afdeling Bioengineering van Imperial zegt dat "we in het verleden levende materialen hebben gemaakt met ingebouwde sensoren die omgevingsfactoren en veranderingen kunnen detecteren. Nu hebben we levende materialen gemaakt die schade kunnen detecteren en erop kunnen reageren door zichzelf te genezen."

Op dezelfde manier waarop architectuur modulaire stukken gebruikt die kunnen worden samengevoegd tot een verscheidenheid aan bouwconstructies, dit onderzoek toont aan dat hetzelfde principe kan worden toegepast op het ontwerp en de constructie van materialen op basis van bacteriële cellulose.

Om ELM's te maken, de onderzoekers genetisch gemanipuleerde bacteriën genaamd Komagataeibacter rhaeticus om ze fluorescerende 3D bolvormige celculturen te laten produceren, bekend als sferoïden, en om ze sensoren te geven die schade detecteren. Ze rangschikten de sferoïden in verschillende vormen en patronen, demonstreren het potentieel van sferoïden als modulaire bouwstenen.

Ze gebruikten een perforator om een ​​dikke laag bacteriële cellulose te beschadigen - het steigerachtige materiaal dat door sommige bacteriën wordt gemaakt waarop ELM's worden geproduceerd. Vervolgens stopten ze de vers gegroeide sferoïden in de gaten en, na drie dagen incuberen, zag uitstekende reparatie die structureel stabiel was en herstelde de consistentie en het uiterlijk van het materiaal.

Professor Ellis zegt dat "door de sferoïden in het beschadigde gebied te plaatsen en de culturen te incuberen, de blokken waren in staat om zowel de schade te voelen als het materiaal opnieuw te laten groeien om het te repareren."

Eerste auteur Dr. Joaquin Caro-Astorga van Imperial's Department of Bioengineering zegt dat hun "ontdekking een nieuwe benadering opent waarbij gekweekte materialen kunnen worden gebruikt als modules met verschillende functies zoals in de bouw. ​​We werken momenteel aan het hosten van andere levende organismen binnen de sferoïden die kunnen samenleven met de celluloseproducerende bacteriën.

"De mogelijke levende materialen die hieruit kunnen komen zijn divers:bijvoorbeeld met gistcellen die medisch relevante eiwitten afscheiden, we zouden wondgenezingsfilms kunnen maken waarin hormonen en enzymen worden geproduceerd door een verband om het huidherstel te verbeteren."

De groeiende populariteit van bacteriële cellulose vanwege zijn uitstekende eigenschappen is het antwoord op de wereldwijde uitdaging om nieuwe materialen te vinden met beter afgestemd functioneel gedrag.

Dr. Patrick Roos, wetenschappelijk directeur van US Office of Naval Research Global London, die het onderzoek mede financierde, zegt dat "de uitdaging is om de verschillende kenmerken die biologie te bieden heeft na te bootsen en te combineren. We proberen niet alleen die systemen na te bootsen, maar ontwikkel biologie om extra functies te hebben die beter geschikt zijn voor de behoeften die we zoeken zonder directe tussenkomst. uiteindelijk, we willen de levensduur van een product verlengen, voorkom uitval van systemen voordat het probleem met het blote oog zichtbaar is en laat het materiaal zelf nadenken."

De volgende stap voor deze groep onderzoekers is het ontwikkelen van nieuwe bolvormige bouwstenen met verschillende eigenschappen, door ze te combineren met materialen als katoen, grafiet en gelatine om complexere ontwerpen te maken. Dit kan leiden tot nieuwe toepassingen zoals biologische filters, implanteerbare elektronica of medische biosensorpleisters.

"Bacteriële cellulose sferoïden als bouwstenen voor 3D en patroon levende materialen en voor regeneratie" door Ellis et al., gepubliceerd 19 augustus 2021 in Natuurcommunicatie .