Скоро не будет ничего, что нельзя было бы произвести с помощью 3D-печати. Однако материалы, используемые для этого процесса, по-прежнему являются «мертвой материей», такой как пластик или металл.
Группа исследователей ETH под руководством профессора Андре Стюдарта, главы Лаборатории сложных материалов, представила новую платформу 3D-печати, которая работает с использованием живой материи. Исследователи разработали чернила, содержащие бактерии, которые позволяют печатать мини-биохимические фабрики с определенными свойствами в зависимости от того, какие виды бактерий ученые поместили в чернила.
"Flink" использует ассортимент бактериальных продуктов
Члены группы Штударта и первые авторы Патрик Рюс и Мануэль Шаффнер использовали в своей работе бактерии Pseudomonas putida и Acetobacter xylinum. Первые способны расщеплять токсичный химический фенол, который в огромных масштабах производится в химической промышленности, а вторые выделяют наноцеллюлозу высокой чистоты. Эта бактериальная целлюлоза снимает боль, удерживает влагу и стабильна, что открывает возможности для ее применения при лечении ожогов.
Новая платформа печати исследователей ETH предлагает множество возможных комбинаций. За один проход ученые могут использовать до четырех разных чернил, содержащих разные виды бактерий в разных концентрациях, чтобы создавать объекты, обладающие несколькими свойствами.
Чернила состоят из биосовместимого гидрогеля, который обеспечивает структуру. Сам гидрогель состоит из гиалуроновой кислоты, длинноцепочечных молекул сахара и пирогенного диоксида кремния. Питательная среда для бактерий подмешивается в чернила, чтобы у бактерий были все предпосылки для жизни. Используя этот гидрогель в качестве основы, исследователи могут добавлять бактерии с желаемым «диапазоном свойств», а затем печатать любую трехмерную структуру, которая им нравится.
Тягкая, как зубная паста
Во время разработки гидрогеля, содержащего бактерии, свойства текучести геля представляли собой особую проблему: чернила должны быть достаточно жидкими, чтобы их можно было протолкнуть через напорное сопло. Консистенция чернил также влияет на подвижность бактерий. Чем жестче чернила, тем труднее им двигаться. Однако, если гидрогель слишком жесткий, Acetobacter выделяет меньше целлюлозы. В то же время печатные объекты должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать вес последующих слоев. Если они слишком жидкие, невозможно напечатать устойчивые структуры, так как они разрушаются под действием веса. «Чернила должны быть такими же вязкими, как зубная паста, и иметь консистенцию крема для рук Nivea», - так Шаффнер описывает успешную формулу.
Учёные назвали свой новый печатный материал «Flink», что означает «функциональные живые чернила», и недавно представили технику в журнале Science Advances.
Огромный потенциал
До сих пор материаловеды не изучали срок службы печатных минифабрик. «Поскольку бактериям требуется очень мало ресурсов, мы предполагаем, что они могут выживать в печатных структурах в течение очень долгого времени», - говорит Рюхс.
Однако исследование все еще находится на начальной стадии. «Печать с использованием гидрогелей, содержащих бактерии, имеет огромный потенциал, поскольку существует широкий спектр полезных бактерий», - говорит Рюс. Он винит микроорганизмы в плохой репутации почти полного отсутствия существующих исследований аддитивных методов с использованием бактерий. «Большинство людей ассоциируют только бактерии с болезнями, но на самом деле мы не смогли бы выжить без бактерий», - говорит он. Однако исследователи считают, что их новые чернила полностью безопасны. Бактерии, которые они используют, безвредны и полезны.
Датчики токсичных веществ и фильтры разливов нефти
Помимо медицинских и биотехнологических приложений, исследователи предусматривают множество других потенциальных применений. Например, объекты такого рода можно использовать для изучения процессов деградации или образования биопленок. Одним из практических приложений может быть датчик, напечатанный на 3D-принтере, содержащий бактерии, который может обнаруживать токсины в питьевой воде. Другой идеей было бы создание фильтров, содержащих бактерии, для использования при катастрофических разливах нефти. Во-первых, необходимо будет решить проблемы, связанные с медленным временем печати и сложной масштабируемостью. В настоящее время Acetobacter требуется несколько дней для производства целлюлозы для биомедицинских целей. Однако ученые убеждены, что они могут еще больше оптимизировать и ускорить процессы.
Разработка специальных материалов для 3D-печати является специализацией исследовательской группы профессора ETH Андре Стюдарта. Например, он и его междисциплинарная команда также разработали печатные высокопористые керамические чернила, которые позволяют печатать очень легкие костные структуры, используемые для производства энергии.