3d Printing Microbes To Enhance Biomaterials 777x444 1 2
Thông tin công nghệ

Phương pháp mới được phát triển để in 3D vi sinh vật sống để tăng cường vật liệu sinh học

Các nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore đã lơ lửng vi khuẩn trong nhựa sinh học cảm quang và “nhốt” vi khuẩn trong cấu trúc 3D bằng cách sử dụng ánh sáng LED từ Thiết bị chụp ảnh nổi do LLNL phát triển cho máy in 3D sinh học vi sinh vật. Máy in lập thể chiếu có thể in ở độ phân giải cao với kích thước 18 micron – mỏng gần bằng đường kính của tế bào người. Tín dụng: Minh họa bởi Thomas Reason / LLNL

Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đã phát triển một phương pháp mới để in 3D vi sinh vật sống trong các mô hình được kiểm soát, mở rộng tiềm năng sử dụng vi khuẩn được thiết kế để thu hồi kim loại đất hiếm, làm sạch nước thải, phát hiện uranium, v.v.

Thông qua một kỹ thuật mới sử dụng ánh sáng và nhựa truyền vi khuẩn để tạo ra các vi sinh có hoa văn 3D, nhóm nghiên cứu đã in thành công màng sinh học nhân tạo giống với các lớp mỏng của cộng đồng vi sinh vật phổ biến trong thế giới thực. Nhóm nghiên cứu đã treo vi khuẩn trong các ống sinh học cảm quang và “nhốt” vi khuẩn trong các cấu trúc 3D bằng cách sử dụng ánh sáng LED từ Máy in 3D Stereolithographic Apparatus dành cho vi sinh vật (SLAM) do LLNL phát triển. Máy in lập thể chiếu có thể in ở độ phân giải cao với kích thước 18 micron – mỏng gần bằng đường kính của tế bào người.

Trong bài báo xuất hiện trực tuyến trên tạp chí Nano Letters , các nhà nghiên cứu đã chứng minh công nghệ này có thể được sử dụng hiệu quả để thiết kế các cộng đồng vi sinh vật có cấu trúc xác định. Họ đã chứng minh khả năng ứng dụng của các màng sinh học in 3D như vậy cho các ứng dụng cảm biến sinh học uranium và khai thác sinh học đất hiếm và cho thấy hình học ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất của vật liệu in.

“Chúng tôi đang cố gắng thúc đẩy công nghệ nuôi cấy vi sinh vật 3D,” điều tra viên chính và nhà kỹ thuật sinh học LLNL William “Rick” Hynes cho biết. “Chúng tôi nghĩ rằng đó là một không gian được điều tra rất kỹ và tầm quan trọng của nó vẫn chưa được hiểu rõ. Chúng tôi đang nỗ lực phát triển các công cụ và kỹ thuật mà các nhà nghiên cứu có thể sử dụng để điều tra tốt hơn cách vi sinh vật hoạt động trong các điều kiện phức tạp về mặt hình học nhưng được kiểm soát cao. Bằng cách truy cập và tăng cường các phương pháp tiếp cận được áp dụng với khả năng kiểm soát tốt hơn cấu trúc 3D của quần thể vi sinh vật, chúng tôi sẽ có thể tác động trực tiếp đến cách chúng tương tác với nhau và cải thiện hiệu suất của hệ thống trong quy trình sản xuất phong thủy sinh học. ”

Mặc dù có vẻ đơn giản, nhưng Hynes giải thích rằng các hành vi của vi sinh vật thực sự cực kỳ phức tạp và được thúc đẩy bởi các đặc điểm không gian của môi trường của chúng, bao gồm cả tổ chức hình học của các thành viên cộng đồng vi sinh vật. Cách thức tổ chức của vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến một loạt các hành vi, chẳng hạn như cách thức và thời điểm chúng phát triển, chúng ăn gì, cách chúng hợp tác, cách chúng tự vệ trước đối thủ cạnh tranh và những phân tử chúng tạo ra, Hynes nói.

Các phương pháp sản xuất màng sinh học trong phòng thí nghiệm trước đây đã cung cấp cho các nhà khoa học ít khả năng kiểm soát tổ chức vi sinh vật trong màng, hạn chế khả năng hiểu đầy đủ về các tương tác phức tạp được thấy trong các cộng đồng vi khuẩn trong thế giới tự nhiên, Hynes giải thích. Khả năng vi khuẩn in ấn sinh học ở dạng 3D sẽ cho phép các nhà khoa học LLNL quan sát tốt hơn cách thức hoạt động của vi khuẩn trong môi trường sống tự nhiên của chúng và nghiên cứu các công nghệ như điện tổng hợp của vi sinh vật, trong đó vi khuẩn “ăn điện tử” (sinh vật điện) chuyển đổi điện năng dư thừa trong giờ thấp điểm thành sản xuất nhiên liệu sinh học và hóa chất sinh học.

Hynes cho biết thêm, hiện nay, quá trình điện tổng hợp của vi sinh vật bị hạn chế vì giao diện giữa các điện cực (thường là dây điện hoặc bề mặt 2D) và vi khuẩn không hiệu quả. Bằng cách sử dụng vi sinh in 3D trong các thiết bị kết hợp với vật liệu dẫn điện, các kỹ sư sẽ đạt được một vật liệu sinh học có tính dẫn điện cao với giao diện vi điện cực được mở rộng và tăng cường đáng kể, dẫn đến hệ thống điện tổng hợp hiệu quả hơn nhiều.

Màng sinh học đang ngày càng được quan tâm trong ngành công nghiệp, nơi chúng được sử dụng để xử lý hydrocacbon, thu hồi kim loại quan trọng, loại bỏ mô-men xoắn khỏi tàu và làm cảm biến sinh học cho nhiều loại hóa chất tự nhiên và nhân tạo. Dựa trên khả năng sinh học tổng hợp tại LLNL, nơi vi khuẩn Caulobacter crescentus đã được biến đổi gen để chiết xuất kim loại đất hiếm và phát hiện các mỏ uranium, các nhà nghiên cứu LLNL đã khám phá tác động của hình học in sinh học đối với chức năng của vi sinh vật trong bài báo mới nhất.

Trong một loạt thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã so sánh sự phục hồi của kim loại đất hiếm trong các mẫu in sinh học khác nhau và cho thấy rằng các tế bào được in trong lưới 3D có thể hấp thụ các ion kim loại nhanh hơn nhiều so với hydrogel số lượng lớn thông thường. Nhóm nghiên cứu cũng in các cảm biến uranium sống, quan sát sự gia tăng huỳnh quang trong các vi khuẩn được thiết kế khi so sánh với các bản in đối chứng.

Yongqin Jiao, đồng tác giả và nhà vi sinh học LLNL, cho biết: “Sự phát triển của những vật liệu sinh học hiệu quả này với các chức năng vi sinh vật được nâng cao và đặc tính vận chuyển khối lượng lớn có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều ứng dụng sinh học. “Nền tảng in sinh học mới không chỉ cải thiện hiệu suất hệ thống và khả năng mở rộng với hình học được tối ưu hóa, mà còn duy trì khả năng tồn tại của tế bào và cho phép lưu trữ lâu dài.”

Các nhà nghiên cứu LLNL đang tiếp tục làm việc để phát triển các mạng 3D phức tạp hơn và tạo ra các chất sinh học mới với khả năng in ấn và hiệu suất sinh học tốt hơn. Họ đang đánh giá các vật liệu dẫn điện như ống nano cacbon và hydrogel để vận chuyển các điện tử và vi khuẩn điện dinh dưỡng sinh học làm thức ăn chăn nuôi nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất trong các ứng dụng điện tổng hợp của vi sinh vật. Nhóm nghiên cứu cũng đang xác định cách tối ưu hóa tốt nhất hình dạng điện cực in sinh học để tối đa hóa việc vận chuyển khối lượng lớn các chất dinh dưỡng và sản phẩm qua hệ thống.

“Chúng tôi chỉ mới bắt đầu hiểu cách cấu trúc chi phối hành vi của vi sinh vật và công nghệ này là một bước đi theo hướng đó,” nhà nghiên cứu sinh học LLNL và đồng tác giả Monica Moya cho biết. “Thao tác với cả vi sinh vật và môi trường sinh lý của chúng để kích hoạt chức năng phức tạp hơn có một loạt các ứng dụng bao gồm sản xuất phong thủy sinh học, khắc phục, phát hiện / phát hiện sinh học và thậm chí phát triển các vật liệu sống đã được thiết kế – những vật liệu có khuôn mẫu tự động và có thể tự sửa chữa hoặc cảm nhận / phản hồi đến môi trường của họ. “

Tham khảo: “Projection Microstereolithographic Microiotics Bioprinting for Engineered Biofilms” của Karen Dubbin, Ziye Dong, Dan M. Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, Claire Robertson, Julie Jackson, Arpita Bose, Monica L. Moya, Yongqin Jiao và William F. Hynes, 28 tháng 1 năm 2021, Nano Letters .
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c04100

Chương trình Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm chỉ đạo tài trợ cho nghiên cứu.

Các đồng tác giả bao gồm các nhà khoa học và kỹ sư LLNL Karen Dubbin, Ziye Dong, Dan Park, Javier Alvarado, Jimmy Su, Elisa Wasson, Claire Robertson và Julie Jackson, cũng như Arpita Bose từ Đại học Washington ở St. Louis.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.