Исследователи EPFL опубликовали метод 3D-печати чернилами, содержащими бактерии, вырабатывающие карбонат кальция. Напечатанный на 3D-принтере минерализованный биокомпозит беспрецедентно прочен, легок и безвреден для окружающей среды, и его можно использовать в различных сферах от искусства до биомедицины.

Природа обладает исключительным умением создавать композитные материалы , которые одновременно легкие и прочные, пористые и жесткие, как раковины моллюсков или кости. Но производство таких материалов в лаборатории или на заводе, особенно с использованием экологически чистых материалов и процессов, чрезвычайно сложно.

Исследователи из Лаборатории мягких материалов Инженерной школы обратились за решением к природе. Они первыми разработали чернила для 3D-печати, содержащие Sporosarcina pasteurii: бактерию, которая при воздействии раствора, содержащего мочевину, запускает процесс минерализации, в результате которого образуется карбонат кальция (CaCO 3 ) . В результате исследователи могут использовать свои чернила, получившие название BactoInk, для 3D-печати практически любой формы, которая затем постепенно минерализуется в течение нескольких дней.

«3D-печать в целом приобретает все большее значение, но количество материалов, которые можно печатать в 3D, ограничено по той простой причине, что чернила должны соответствовать определенным условиям текучести», — объясняет глава лаборатории Эстер Амстад. «Например, они должны вести себя как твердые тела в состоянии покоя, но при этом выдавливаться через сопло для 3D-печати — что-то вроде кетчупа».

Амстад объясняет, что краски для 3D-печати, содержащие мелкие минеральные частицы, ранее использовались для соответствия некоторым из этих критериев текучести, но полученные структуры имеют тенденцию быть мягкими или сжиматься при высыхании, что приводит к растрескиванию и потере контроля над формой. конечный продукт.

«Итак, мы придумали простой трюк: вместо того, чтобы печатать минералы, мы напечатали полимерный каркас, используя наши BactoInk, которые затем минерализуются на втором, отдельном этапе. Примерно через четыре дня процесс минерализации, запущенный бактериями в лесов приводит к конечному продукту с содержанием минералов более 90%».

В результате получается прочный и эластичный биокомпозит, который можно изготовить с помощью стандартного 3D-принтера и натуральных материалов без экстремальных температур, часто необходимых для производства керамики. Конечные продукты больше не содержат живых бактерий, так как они погружаются в этанол в конце процесса минерализации.

Метод, описывающий первую краску для 3D-печати, в которой используются бактерии для индукции минерализации, недавно был опубликован в журнале Materials Today .

Исправление произведений искусства, коралловых рифов или костей

Подход Soft Materials Lab имеет несколько потенциальных применений в самых разных областях, от искусства и экологии до биомедицины. Амстад считает, что реставрация произведений искусства может быть значительно облегчена с помощью BactoInk, который также можно напрямую вводить в форму или целевое место — например, трещину в вазе или скол в статуе. Механические свойства чернил придают им прочность и устойчивость к усадке, необходимые для ремонта произведения искусства, а также предотвращают дальнейшее повреждение в процессе реставрации.

Использование в этом методе только экологически чистых материалов и его способность производить минерализованный биокомпозит также делает его многообещающим кандидатом для создания искусственных кораллов, которые можно использовать для восстановления поврежденных морских рифов. Наконец, тот факт, что структура и механические свойства биокомпозита имитируют свойства кости, потенциально может сделать его интересным для будущих биомедицинских применений.

«Универсальность обработки BactoInk в сочетании с низким воздействием на окружающую среду и превосходными механическими свойствами минерализованных материалов открывает множество новых возможностей для изготовления легких, несущих композитов, которые больше похожи на натуральные материалы, чем на современные синтетические композиты». — говорит Амстад.