Wetenschappers gebruiken bacteriën als micro-3D-printers

Een team van de Aalto University heeft bacteriën gebruikt om ingewikkeld ontworpen driedimensionale objecten van nanocellulose te produceren. Met hun techniek zijn de onderzoekers in staat om de groei van bacteriekolonies te sturen door het gebruik van sterk waterafstotende – of superhydrofobe – oppervlakken. De objecten tonen een enorm potentieel voor medisch gebruik, inclusief ondersteuning van 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, kunnen met de nieuwe techniek vezels, met een diameter die duizend keer dunner is dan een mensenhaar, in elke richting worden uitgelijnd, zelfs over de lagen heen, en verschillende gradiënten van dikte en topografie. nieuwe toepassingsmogelijkheden bieden 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 geleverde bouwstenen opnemen en met de juiste input complexe vormen en structuren creëren.”

Eenmaal in een superhydrofobe schimmel met water en voedingsstoffen – suiker, eiwitten en lucht – produceren de aërobe bacteriën nanocellulose. Het superhydrofobe oppervlak houdt in wezen een dunne laag lucht vast, die de bacteriën uitnodigt om een ​​vezelige biofilm te creëren die het oppervlak en de vorm van de schimmel nabootst. Na verloop van tijd wordt de biofilm dikker en worden de objecten sterker.

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

“Het is echt spannend om dit gebied van biofabricage uit te breiden dat profiteert van sterke cellulose-nanovezels en de netwerken die ze vormen. We onderzoeken toepassingen voor leeftijdsgebonden weefseldegeneratie, waarbij deze methode een stap voorwaarts is 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 de Universidad Pontificia Bolivariana. In zowel de natuur als de techniek zijn superhydrofobe oppervlakken ontworpen om de hechting van stofdeeltjes en micro-organismen. Dit werk zal naar verwachting nieuwe mogelijkheden openen voor het gebruik van superhydrofobe oppervlakken om nauwkeurig natuurlijk vervaardigde materialen te produceren.

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

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