Учёные используют бактерии как микро-3D-принтеры
Исследователи из Университета Аалто использовали бактерии для создания трёхмерных объектов сложной формы из наноцеллюлозы. Их метод позволяет направлять рост бактериальных колоний с помощью сильно водоотталкивающих — супергидрофобных — поверхностей. Объекты демонстрируют огромный потенциал для медицинского применения, включая поддержку регенерации тканей или использование в качестве каркасов для замены повреждённых органов. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
В отличие от волокнистых объектов, созданных современными методами 3D-печати, новая технология позволяет ориентировать волокна диаметром в тысячу раз меньше человеческого волоса в любом направлении, даже между слоями, с различными градиентами толщины и топографии. Это открывает новые возможности для применения в регенерации тканей. Подобные физические характеристики критически важны для материалов-носителей при росте и восстановлении определённых типов тканей, например, в мышцах и мозге.
«Это как иметь миллиарды крошечных 3D-принтеров, помещающихся в бутылке, — объясняет аспирант Луиз Грека. — Мы можем рассматривать бактерии как природных микророботов, которые берут предоставленные им строительные блоки и при правильных условиях создают сложные формы и структуры».
Помещённые в супергидрофобную форму с водой и питательными веществами (сахар, белки и воздух), аэробные бактерии производят наноцеллюлозу. Супергидрофобная поверхность удерживает тонкий слой воздуха, что побуждает бактерии создавать волокнистую биоплёнку, повторяющую поверхность и форму шаблона. Со временем биоплёнка утолщается, а объекты становятся прочнее.
Используя эту технику, команда создала 3D-объекты с заданными свойствами размером от одной десятой диаметра волоса до 15–20 сантиметров. Нановолокна не вызывают неблагоприятных реакций при контакте с человеческими тканями. Метод также можно использовать для выращивания реалистичных моделей органов для обучения хирургов или повышения точности тестирования in vitro.
«Очень интересно развивать эту область биофабрикации, использующую прочные наноцеллюлозные волокна и формируемые ими сети. Мы исследуем применения для возрастной дегенерации тканей, и этот метод — шаг вперёд в этом и других направлениях», — говорит руководитель исследовательской группы профессор Орландо Рохас.
Он добавляет, что штамм бактерий Komagataeibacter medellinensis, использованный командой, был обнаружен на местном рынке в городе Медельин (Колумбия) предыдущими коллабораторами из Университета Понтифисия Боливариана.
В природе и технике супергидрофобные поверхности создают для минимизации адгезии частиц пыли и микроорганизмов. Ожидается, что эта работа откроет новые возможности для использования таких поверхностей для точного производства природных материалов.
Поскольку бактерии можно удалить или оставить в конечном материале, 3D-объекты также могут развиваться как живой организм с течением времени. Результаты представляют важный шаг к полному контролю над материалами, производимыми бактериями.
«Наше исследование действительно показывает необходимость понимания как тонких деталей взаимодействия бактерий на границах раздела фаз, так и их способности создавать устойчивые материалы. Мы надеемся, что эти результаты также вдохновят учёных, работающих как над поверхностями, отталкивающими бактерии, так и над созданием материалов из бактерий», — говорит доктор Блез Тарди.