Los sistemas biológicos pueden aprovechar sus células vivas para el crecimiento y la regeneración, pero los sistemas de ingeniería no. Hasta ahora.
Qiming Wang y los investigadores de la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi están aprovechando las bacterias vivas para crear materiales de ingeniería que sean fuertes, tolerantes y resistentes. La investigación se publica en Materiales avanzados .
"Los materiales que estamos haciendo son vivos y de crecimiento propio", dijo Wang, presidente de la carrera temprana de Stephen Schrank en Ingeniería Civil y Ambiental y profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani CEE. "Durante siglos nos han asombrado las sofisticadas microestructuras de los materiales naturales, especialmente después de que se inventaran los microscopios para observar estas diminutas estructuras. Ahora damos un importante paso adelante: utilizamos bacterias vivas como una herramienta para cultivar directamente estructuras asombrosas que no puedenser hecho por nuestra cuenta ".
Los investigadores trabajan con bacterias específicas, S. pasteurii, conocidas por secretar una enzima llamada ureasa. Cuando la ureasa se expone a los iones de urea y calcio, produce carbonato de calcio, un compuesto mineral fundamental y fuerte que se encuentra en los huesos o los dientes."La innovación clave en nuestra investigación", dijo Wang, "es que guiamos a las bacterias para que cultiven minerales de carbonato de calcio para lograr microestructuras ordenadas que son similares a las de los compuestos mineralizados naturales".
Wang agregó: "Las bacterias saben cómo ahorrar tiempo y energía para hacer las cosas. Tienen su propia inteligencia y podemos aprovechar su inteligencia para diseñar materiales híbridos que sean superiores a las opciones totalmente sintéticas.
Tomar prestado inspiración de la naturaleza no es nuevo en ingeniería. Como uno sospecharía, la naturaleza tiene grandes ejemplos de compuestos mineralizados complejos que son fuertes, resistentes a las fracturas y que amortiguan la energía, por ejemplo, el nácar o la cáscara dura que rodea un molusco.
Wang dijo: "Aunque los microorganismos como las bacterias, los hongos y los virus a veces son perjudiciales para causar enfermedades, como el COVID-19, también pueden ser beneficiosos. Tenemos una larga historia de uso de microorganismos como fábricas, por ejemplo,usando levadura para hacer cerveza. Pero hay investigaciones limitadas sobre el uso de microorganismos para fabricar materiales de ingeniería ".
Combinando bacterias vivas y materiales sintéticos, Wang dijo que este nuevo material vivo demuestra propiedades mecánicas superiores a las de cualquier material natural o sintético actualmente en uso. Esto se debe en gran parte a la estructura bouligand del material, que se caracteriza por múltiples capas de minerales colocadosen diferentes ángulos entre sí para formar una especie de "torsión" o forma helicoidal. Esta estructura es difícil de crear sintéticamente.
Wang trabajó en colaboración con los investigadores de la USC Viterbi, An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng y Kyung Hoon Lee. Lizhi Sun, profesora de ingeniería civil en la Universidad de California, Irvine, brindó apoyo adicional.y su alumno Shengwei Feng.
¿Qué hay en una forma?
Una de las propiedades clave de un compuesto mineralizado, dijo Wang, es que puede manipularse para seguir diferentes estructuras o patrones. Los investigadores observaron hace mucho tiempo la capacidad de un camarón mantis para usar su "martillo" para abrir una capa muscular. Mirando su "martillo" - una estructura similar a un palo o una mano - más de cerca, encontraron que estaba dispuesta en una estructura de bouligand. Esta estructura ofrece una resistencia superior a una dispuesta en ángulos más homogéneos - por ejemplo, alternando la celosíaestructura del material a 90 grados con cada capa.
"Crear esta estructura sintéticamente es muy desafiante en el campo", dijo Wang. "Así que propusimos usar bacterias para lograrlo".
Para construir el material, los investigadores imprimieron en 3-D una estructura de celosía o andamio. Esta estructura tiene cuadrados vacíos dentro y las capas de celosía se colocan en diferentes ángulos para crear andamios en línea con la forma helicoidal.
Las bacterias se introducen luego en esta estructura. A las bacterias les gusta intrínsecamente adherirse a las superficies y gravitarán hacia el andamio, agarrándose al material con sus "patas". Allí las bacterias secretarán ureasa, la enzima que desencadena la formación de calcio.Cristales de carbonato. Estos crecen desde la superficie hacia arriba, eventualmente llenando los pequeños cuadrados o huecos en la estructura de celosía impresa en 3-D. A las bacterias les gustan las superficies porosas, dijo Wang, lo que les permite crear diferentes patrones con los minerales.
La Trifecta
"Hicimos pruebas mecánicas que demostraron que la resistencia de tales estructuras era muy alta. También fueron capaces de resistir la propagación de grietas fracturas y ayudar a amortiguar o disipar la energía dentro del material", dijo An Xin, un doctorado de la CEEestudiante.
Los materiales existentes han demostrado una resistencia excepcional, resistencia a la fractura y disipación de energía, pero no se ha demostrado que la combinación de los tres elementos funcione tan bien como en los materiales vivos que crearon Wang y su equipo.
"Fabricamos algo muy rígido y resistente", dijo Wang. "Las implicaciones inmediatas son para su uso en infraestructuras como paneles aeroespaciales y bastidores de vehículos".
Los materiales vivos son relativamente livianos y también ofrecen opciones para aplicaciones de defensa como armaduras corporales o armaduras de vehículos. "Este material podría resistir la penetración de balas y disipar la energía de su liberación para evitar daños", dijo Yipin Su, un postdoctorado que trabaja con Wang.
Incluso existe la posibilidad de que estos materiales se reintroduzcan en las bacterias cuando se necesiten reparaciones.
"Una visión interesante es que estos materiales vivos aún poseen propiedades de crecimiento propio", dijo Wang. "Cuando hay daños en estos materiales, podemos introducir bacterias para que los materiales vuelvan a crecer. Por ejemplo, si los usamos en unpuente, podemos reparar los daños cuando sea necesario ".
El cataclismo que mató a los dinosaurios
Touchdown! El rover Mars Perseverance de la NASA aterriza con seguridad en el planeta rojo
Hubble descubre la concentración de pequeños agujeros negros
Descubrimientos en el borde de la tabla periódica: primeras mediciones de einstenio