Un árbol crece fuerte después de años de generar su propia comida. Ahora imagine si los productos pudieran fortalecerse con los mismos materiales vivos que proporcionan nutrientes para fortalecer los árboles. Este es el trabajo del profesor de Ingeniería Civil y Ambiental de la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi, Qiming Wang, cuyo laboratorio de investigación es uno de los primeros en infundir tinta de impresora 3D con material vivo. El material tiene potencial para una mayor resistencia, ser flexible y autocurativo. El trabajo está documentado en un artículo publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias .

La idea de esta tinta bioinspirada proviene de árboles que aprovechan el poder de la fotosíntesis para producir glucosa que se transforma en celulosa y fortalece la estructura celular de la planta. "Cuando los árboles son jóvenes, "dice Wang, "son flexibles, cuando sean maduros, son rígidos ".

"La idea de la investigación también está inspirada en Popeye the Sailor, el personaje animado que puede fortalecer sus músculos comiendo espinacas, "dice Wang, cuya investigación se centra en la fabricación y la mecánica bioinspiradas de materiales y estructuras sin precedentes que potencialmente pueden abordar los desafíos de ingeniería en infraestructura, energía, robótica, salud y medio ambiente.

"Ahora, estamos utilizando la innovación científica para realizar nuestra imaginación infantil, "dice Wang.

El equipo de investigación detrás de este estudio, que incluye USC Viterbi Ph.D. los estudiantes Kunhao Yu y Zhangzhengrong Feng como autores principales junto con el profesor Nicholas X. Fang del Instituto de Tecnología de Massachusetts y la profesora Chiara Daraio del Instituto de Tecnología de California, utilizó una centrífuga para extraer los cloroplastos de las espinacas compradas en Trader Joe's. Mezclaron los cloroplastos de espinaca con una tinta polimérica imprimible en 3-D recién inventada. Luego usaron la tinta para imprimir estructuras en 3D. Al aplicar luz a la estructura de 3 impresos, crearon condiciones para generar glucosa de origen vegetal que reacciona con el polímero para hacer que el material se vuelva cada vez más fuerte.

Al aplicar de dos a cuatro horas de luz e imitar el poder de la fotosíntesis, los investigadores creen que este "material vivo" puede auto-fortalecerse hasta seis veces su fuerza original. Y lo que es más, el efecto de fortalecimiento inducido por los cloroplastos vivos se puede suspender temporalmente congelando el material a 0? (los cloroplastos se ralentizan temporalmente al congelarse). Una vez que la temperatura vuelve a la temperatura ambiente, se puede reanudar el efecto fortalecedor.

"El material se comporta como una serpiente que hiberna durante el invierno, "Dice Wang.

"Nunca se ha demostrado un 'comportamiento de suspensión' tan temporal en los materiales de ingeniería existentes, Wang agrega.

Yu, un autor principal en las notas de papel, "Esta tecnología con iluminación de luz de gradiente puede crear estructuras de ingeniería con rigidez de gradiente, que exhiben una propiedad de "amortiguación" excepcional mucho más allá de la de los homogéneos.

"Otro hallazgo sorprendente es que el efecto de fortalecimiento se puede ajustar mediante una fuerza externa, "dijo Feng, el otro autor principal del artículo.

"Cuando cuelgas un peso en la rama de un árbol, esa rama se volverá mucho más fuerte que otras ramas, un proceso llamado "mecanotransducción". Aquí ocurre el mismo fenómeno.

El equipo prevé aplicar la fotosíntesis a los materiales para diseñar una suela de zapatilla personalizada impresa en 3D que se amolda al pie y tiene una rigidez personalizada.

Algunas plantas exhiben una capacidad de autocuración durante el injerto y la reparación de heridas. Según los investigadores, el "material vivo" infundido con cloroplastos en un laboratorio de la USC también presenta una propiedad de autorreparación excepcional. Esta propiedad es inducida por la glucosa producida por la fotosíntesis que crea el proceso molecular de reticulación (en esencia, equivalente a crear suturas). Tal capacidad de reparación de grietas podría aplicarse en hélices de barcos o incluso drones.