載有細(xì)菌的墨水用于3D打印堅(jiān)固有彈性的活結(jié)構(gòu)生物復(fù)合材料

EPFL研究人員發(fā)表了一種3D打印墨水的方法，這種墨水含有產(chǎn)生碳酸鈣的細(xì)菌。這種3D打印的礦化生物復(fù)合材料前所未有地堅(jiān)固、輕便且環(huán)保，具有從藝術(shù)到生物醫(yī)學(xué)的一系列應(yīng)用。

大自然有一種非凡的訣竅，可以生產(chǎn)出既輕便又堅(jiān)固、多孔又堅(jiān)硬的復(fù)合材料——就像軟體動(dòng)物的殼或骨頭。但在實(shí)驗(yàn)室或工廠生產(chǎn)此類材料——尤其是使用環(huán)保材料和工藝——極具挑戰(zhàn)性。

工程學(xué)院軟材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員轉(zhuǎn)向大自然尋求解決方案。他們率先開發(fā)了一種含有巴斯德氏孢子八疊球菌的3D打印墨水：一種細(xì)菌，當(dāng)暴露在含尿素的溶液中時(shí)，會(huì)觸發(fā)礦化過程，產(chǎn)生碳酸鈣(CaCO3)。結(jié)果是研究人員可以使用他們的墨水——被稱為BactoInk——來3D打印幾乎任何形狀，然后這些形狀將在幾天內(nèi)逐漸礦化。

總體而言，3D打印變得越來越重要，但可用于3D打印的材料數(shù)量有限，原因很簡(jiǎn)單，墨水必須滿足特定的流動(dòng)條件。例如，它們?cè)陟o止時(shí)必須表現(xiàn)得像固體，但仍可通過3D打印噴嘴擠出——有點(diǎn)像番茄醬。”

Amstad解釋說，含有小礦物顆粒的3D打印油墨以前曾用于滿足其中一些流動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，但由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)往往是柔軟的，或者在干燥時(shí)收縮，導(dǎo)致開裂和失去對(duì)形狀的控制。完成品。

“所以，我們想出了一個(gè)簡(jiǎn)單的技巧：我們沒有打印礦物質(zhì)，而是使用BactoInk打印了聚合物支架，然后在第二個(gè)單獨(dú)的步驟中將其礦化。大約四天后，由細(xì)菌引發(fā)的礦化過程腳手架導(dǎo)致最終產(chǎn)品的礦物質(zhì)含量超過90%。”

其結(jié)果是一種堅(jiān)固且有彈性的生物復(fù)合材料，可以使用標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)和天然材料生產(chǎn)，并且不需要制造陶瓷通常需要的極端溫度。最終產(chǎn)品不再含有活細(xì)菌，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘V化過程結(jié)束時(shí)被浸沒在乙醇中。

該方法描述了第一種使用細(xì)菌誘導(dǎo)礦化的3D打印墨水，最近發(fā)表在《今日材料》雜志上。

修補(bǔ)藝術(shù)品、珊瑚礁或骨骼

軟材料實(shí)驗(yàn)室的方法在從藝術(shù)和生態(tài)學(xué)到生物醫(yī)學(xué)等廣泛領(lǐng)域具有多種潛在應(yīng)用。Amstad認(rèn)為，BactoInk可以極大地促進(jìn)藝術(shù)品的修復(fù)，它也可以直接注入模具或目標(biāo)位置——例如花瓶的裂縫或雕像的碎片。墨水的機(jī)械性能賦予它修復(fù)藝術(shù)品所需的強(qiáng)度和抗收縮性，并防止在修復(fù)過程中進(jìn)一步損壞。

該方法僅使用環(huán)保材料，并且能夠生產(chǎn)礦化生物復(fù)合材料，這也使其成為建造人造珊瑚的有前途的候選者，可用于幫助再生受損的海洋珊瑚礁。最后，生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能模仿骨骼的事實(shí)可能會(huì)使其對(duì)未來的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生興趣。

“BactoInk加工的多功能性，結(jié)合礦化材料的低環(huán)境影響和優(yōu)異的機(jī)械性能，為制造輕質(zhì)、承重復(fù)合材料開辟了許多新的可能性，這些復(fù)合材料更類似于天然材料，而不是今天的合成復(fù)合材料，”阿姆斯塔德總結(jié)道。

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