使用载有细菌的墨水进行3D打印可生产类骨复合材料

EPFL研究人员发表了一种3D打印墨水的方法，这种墨水含有产生碳酸钙的细菌。这种3D打印的矿化生物复合材料前所未有地坚固、轻便且环保，具有从艺术到生物医学的一系列应用。

大自然有一种非凡的诀窍，可以生产出既轻便又坚固、多孔又坚硬的复合材料——就像软体动物的壳或骨头一样。但在实验室或工厂生产此类材料——尤其是使用环保材料和工艺——极具挑战性。

工程学院软材料实验室的研究人员转向大自然寻求解决方案。他们率先开发了一种含有巴斯德氏孢子八叠球菌的3D打印墨水：一种细菌，当暴露在含尿素的溶液中时，会触发矿化过程，产生碳酸钙(CaCO3)。结果是研究人员可以使用他们的墨水(称为BactoInk)来3D打印几乎任何形状，然后这些形状将在几天内逐渐矿化。

“3D打印总体上变得越来越重要，但由于墨水必须满足特定流动条件的简单原因，可以3D打印的材料数量有限，”实验室负责人EstherAmstad解释道。“例如，它们在静止时必须表现得像固体，但仍然可以通过3D打印喷嘴挤出——有点像番茄酱。”

Amstad解释说，含有小矿物颗粒的3D打印油墨以前曾用于满足其中一些流动标准，但由此产生的结构往往是柔软的，或者在干燥时收缩，导致开裂和失去对形状的控制。完成品。

“所以，我们想出了一个简单的技巧：我们没有打印矿物质，而是使用BactoInk打印了聚合物支架，然后在第二个单独的步骤中将其矿化。大约四天后，由细菌引发的矿化过程脚手架导致最终产品的矿物质含量超过90%。”

其结果是一种坚固且有弹性的生物复合材料，可以使用标准3D打印机和天然材料生产，并且不需要制造陶瓷通常需要的极端温度。最终产品不再含有活细菌，因为它们在矿化过程结束时被浸没在乙醇中。

该方法描述了第一种使用细菌诱导矿化的3D打印墨水，最近发表在《今日材料》杂志上。

修补艺术品、珊瑚礁或骨头

软材料实验室的方法在从艺术和生态学到生物医学等广泛领域具有多种潜在应用。Amstad认为，BactoInk可以极大地促进艺术品的修复，它也可以直接注入模具或目标位置——例如花瓶的裂缝或雕像的碎片。墨水的机械性能赋予它修复艺术品所需的强度和抗收缩性，并防止在修复过程中进一步损坏。

该方法仅使用环保材料，并且能够生产矿化生物复合材料，这也使其成为建造人造珊瑚的有前途的候选者，可用于帮助再生受损的海洋珊瑚礁。最后，生物复合材料的结构和机械性能模仿骨骼的事实可能会使其对未来的生物医学应用产生兴趣。

“BactoInk加工的多功能性，结合矿化材料的低环境影响和优异的机械性能，为制造轻质、承重复合材料开辟了许多新的可能性，这些复合材料更类似于天然材料，而不是今天的合成复合材料，”阿姆斯塔德说。