Los sistemas biológicos pueden aprovechar sus células vivas para el crecimiento y la regeneración. pero los sistemas de ingeniería no pueden. Hasta ahora.

Qiming Wang y los investigadores de la Escuela de Ingeniería de la USC Viterbi están aprovechando las bacterias vivas para crear materiales de ingeniería que sean fuertes, tolerante, y resistente. La investigación se publica en Materiales avanzados .

"Los materiales que fabricamos son vivos y de crecimiento propio, "dijo Wang, la cátedra Stephen Schrank Early Career en Ingeniería Civil y Ambiental y profesora asistente de ingeniería civil y ambiental en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani (CEE). "Nos han asombrado las sofisticadas microestructuras de los materiales naturales durante siglos, 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 se pueden crear por nuestra cuenta ".

Los investigadores trabajan con bacterias específicas:S. pasteurii:conocido por secretar una enzima llamada ureasa. Cuando la ureasa se expone a iones de urea y calcio, produce carbonato de calcio, un compuesto mineral fundamental y fuerte que se encuentra en huesos o dientes. "La innovación clave en nuestra investigación, "dijo Wang, "es que guiamos a las bacterias para que desarrollen 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.

Pedir prestado inspiración a la naturaleza no es nuevo en ingeniería. Como uno sospecharía, la naturaleza tiene grandes ejemplos de compuestos mineralizados complejos que son fuertes, resistente a las fracturas, y amortiguación de energía, por ejemplo, nácar o la cáscara dura que rodea a un molusco.

Wang dijo:"Aunque los microorganismos como las bacterias, Los hongos y los virus a veces son perjudiciales al causar enfermedades, como 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 colocadas en 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 brindó apoyo adicional, profesor de ingeniería civil en la Universidad de California, Irvine, y su alumno Shengwei Feng.

¿Qué hay en una forma?

Una de las propiedades clave de un compuesto mineralizado, Wang dijo:es que se puede manipular para seguir diferentes estructuras o patrones. Hace mucho tiempo, los investigadores observaron la capacidad de un camarón mantis para usar su "martillo" para abrir una cáscara de músculo. Mirando su "martillo", una estructura o mano en forma de garrote, más de cerca, encontraron que estaba dispuesto en una estructura de bouligand. Esta estructura ofrece una resistencia superior a una dispuesta en ángulos más homogéneos, por ejemplo, alternando la estructura de celosía 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 3D una estructura de celosía o un andamio. Esta estructura tiene cuadrados vacíos dentro de ella y las capas de celosía se colocan en diferentes ángulos para crear andamios en línea con la forma helicoidal.

Luego, las bacterias se introducen en esta estructura. A las bacterias les gusta intrínsecamente adherirse a las superficies y gravitarán hacia el andamio, agarrando el material con sus "piernas". Allí las bacterias secretarán ureasa, la enzima que desencadena la formación de cristales de carbonato de calcio. Estos crecen desde la superficie hacia arriba, eventualmente llenando los pequeños cuadrados o vacíos en la estructura de celosía impresa en 3-D. Bacterias como superficies porosas, Wang dijo:permitiéndoles 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, estudiante de doctorado de la CEE.

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 fuerte, "Dijo Wang." Las implicaciones inmediatas son para su uso en infraestructuras como paneles aeroespaciales y bastidores de vehículos ".

Los materiales vivos son relativamente ligeros, también ofrece opciones para aplicaciones de defensa como blindaje corporal o blindaje para vehículos. "Este material podría resistir la penetración de las 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 todavía 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 un puente, podemos reparar los daños cuando
necesario."