استفاده از باکتری‌ برای چاپ سه بعدی ماده‌ای شبیه استخوان

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا،  طبیعت استعداد فوق العاده‌ای در تولید مواد کامپوزیتی دارد که به طور همزمان سبک و قوی، متخلخل و سفت هستند، مانند پوسته نرم تنان یا استخوان. اما تولید چنین موادی در آزمایشگاه یا کارخانه  به ویژه با استفاده از مواد و فرآیند‌های سازگار با محیط زیست بسیار چالش برانگیز است.

کربنات کلسیم یک ماده قابل توجه و جالب است، زیرا ترکیبی از استحکام، وزن سبک و تخلخل را داراست. دانشمندان یک روش جدید مبتنی بر باکتری برای چاپ سه بعدی این ماده را برای استفاده در کاربرد‌هایی مانند ترمیم استخوان و بازسازی صخره‌های مرجانی ابداع کرده اند.

این اولین بار نیست که ما در مورد چاپ سه بعدی اجسام کربنات کلسیم می‌شنویم. روش‌های قبلی شامل خارج کردن ژل حاوی ذرات معدنی از دستگاه بود که متعاقباً خشک و سخت می‌شود. با این حال، برخی از اقلام به‌دست‌آمده نسبتاً نرم و شکننده بوده‌اند، یا با خشک شدن اندازه آن‌ها کوچک‌تر می‌شد، در نتیجه ترک‌هایی به وجود می‌آمد و باعث تغییر شکل آن‌ها می‌شد.

دانشمندان مؤسسه تحقیقاتی EPFL سوئیس در جستجوی یک جایگزین بهتر، باکتری به نام «Sporosarcina pasteurii» را با یک ژل پلیمری سازگار با محیط زیست ترکیب کردند. مخلوط حاصل که با نام باکتواینک «BactoInk» شناخته می‌شود، به شکل مورد نظر از پرینتر خارج می‌شود و یک جسم ژلاتینی با ساختار سه بعدی داربست مانندی را تشکیل می‌دهد که باکتری‌ها در آن جای می‌گیرند.

سپس جسم چاپ شده در معرض محلول حاوی اوره قرار می‌گیرد. این کار باعث می‌شود که باکتری‌ها کربنات کلسیم سخت تولید کنند که در نهایت جایگزین ژل نرم می‌شود. در نهایت، ماده در محلول اتانول غوطه ور می‌شود تا باکتری‌های موجود در آن از بین می‌برد.

یک شی در حال چاپ، قبل از قرارگرفتن در اوره

در آزمایشاتی که تاکنون انجام شده است، محصولات نهایی با محتوای کربنات کلسیم بیش از ۹۰ درصد در «حدود چهار روز» ساخته شده‌اند.

امید است که روزی بتوان از این ماده در تولید مرجان مصنوعی استفاده کرد که با پولیپ‌های مرجانی پر شده و پس از قرار گرفتن در صخره‌های آسیب دیده به مرجان‌های واقعی تبدیل می‌شوند. این ماده همچنین ممکن است مستقیماً روی جراحات جایی که استخوان از بین رفته خراج می‌شود و یک استخوان جدید تشکیل می‌دهد تا فضای خالی را پر کند؛ و در یک برنامه پیشنهادی دیگر، ممکن است از این ماده برای تعمیر قطعات هنری آسیب دیده مانند مجسمه‌ها استفاده شود.

دو نمونه از مرجان‌های مصنوعی ساخته شده ازباکتواینک

استر آمستاد پژوهشگر ارشد این مطالعه می‌گوید: تطبیق پذیری پردازش باکتواینک، همراه با اثرات زیست محیطی کم و خواص مکانیکی عالی مواد معدنی، فرصت‌های جدیدی را برای ساخت کامپوزیت‌های سبک وزن و باربر که بیشتر شبیه به مواد طبیعی هستند تا کامپوزیت‌های مصنوعی امروزی، ایجاد می‌کند.

همچنین آمستاد معتقد است که بازسازی آثار هنری می‌تواند تا حد زیادی توسط باکتواینک تسهیل شود، چراکه می‌تواند مستقیماً به قالب یا محل هدف تزریق شود (مثلاً یک شکاف در یک گلدان یا یک تراشه در یک مجسمه). خواص مکانیکی جوهر به آن استحکام و مقاومت در برابر انقباض لازم برای تعمیر یک اثر هنری را می‌دهد و همچنین از آسیب بیشتر در طول فرآیند بازسازی جلوگیری می‌کند.

این روش که اولین جوهر چاپ سه بعدی را توصیف می‌کند که از باکتری برای القای کانی سازی استفاده می‌کند، اخیراً در مجله Materials Today منتشر شده است.