Een team van de Aalto University heeft bacteriën gebruikt om ingewikkeld ontworpen driedimensionale objecten van nanocellulose te maken. Met hun techniek, de onderzoekers zijn in staat om de groei van bacteriekolonies te sturen door het gebruik van sterk waterafstotende of superhydrofobe oppervlakken. De objecten vertonen een enorm potentieel voor medisch gebruik, inclusief ondersteunende weefselregeneratie of als steigers om beschadigde organen te vervangen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

In tegenstelling tot vezelachtige objecten die zijn gemaakt met de huidige 3D-printmethoden, de nieuwe techniek maakt het mogelijk vezels, met een diameter die duizend keer dunner is dan een mensenhaar, om in elke richting te worden uitgelijnd, zelfs over lagen, en verschillende gradiënten van dikte en topografie, het openen van nieuwe toepassingsmogelijkheden bij weefselregeneratie. Dit soort fysieke kenmerken zijn cruciaal voor ondersteunende materialen bij de groei en regeneratie van bepaalde soorten weefsels die zowel in spieren als in de hersenen worden aangetroffen.

"Het is alsof je miljarden kleine 3D-printers hebt die in een fles passen, " legt Luiz Greca uit, een doctoraatsstudent aan de Aalto University. "We kunnen de bacteriën zien als natuurlijke microrobots die de bouwstenen nemen die ze krijgen en, met de juiste invoer maak complexe vormen en structuren."

Eenmaal in een superhydrofobe mal met water en voedingsstoffen — suiker, eiwitten en lucht - de aerobe bacteriën produceren nanocellulose. Het superhydrofobe oppervlak vangt in wezen een dunne laag lucht op, die de bacteriën uitnodigt om een ​​vezelige biofilm te creëren die het oppervlak en de vorm van de mal repliceert. Met tijd, de biofilm wordt dikker en de objecten worden sterker.

Met behulp van de techniek, het team heeft 3D-objecten gemaakt met vooraf ontworpen functies, meten van een tiende van de diameter van een enkele haar helemaal tot 15-20 centimeter. De vezels van nanoformaat veroorzaken geen bijwerkingen wanneer ze in contact komen met menselijke weefsels. De methode kan ook worden gebruikt om realistische modellen van organen te kweken voor het opleiden van chirurgen of het verbeteren van de nauwkeurigheid van in-vitrotesten.

"Het is echt opwindend om dit gebied van biofabricage uit te breiden dat gebruik maakt van sterke cellulose-nanovezels en de netwerken die ze vormen. We onderzoeken toepassingen voor leeftijdsgebonden weefseldegeneratie, met deze methode als een stap voorwaarts in deze en andere richtingen, ", zegt onderzoeksgroepleider professor Orlando Rojas. Hij voegt eraan toe dat de bacteriestam die door het team wordt gebruikt, Komagataeibacter medellinensis, werd ontdekt op een lokale markt in de stad Medellin, Colombia, door eerdere medewerkers van Universidad Pontificia Bolivariana. Zowel in natuur als techniek, superhydrofobe oppervlakken zijn ontworpen om de aanhechting van stofdeeltjes en micro-organismen te minimaliseren. Dit werk zal naar verwachting nieuwe mogelijkheden openen voor het gebruik van superhydrofobe oppervlakken om nauwkeurig natuurlijke materialen te produceren.

Omdat de bacteriën kunnen worden verwijderd of in het uiteindelijke materiaal kunnen blijven zitten, de 3D-objecten kunnen in de loop van de tijd ook evolueren als een levend organisme. De bevindingen bieden een belangrijke stap in de richting van volledige controle over bacterieel vervaardigde materialen.

"Ons onderzoek toont echt de noodzaak aan om zowel de fijne details van de interactie van bacteriën op grensvlakken te begrijpen als hun vermogen om duurzame materialen te maken. We hopen dat deze resultaten ook wetenschappers zullen inspireren die werken aan zowel bacterie-afstotende oppervlakken als degenen die materialen maken van bacteriën, " zegt dr. Blaise Tardy.