I sistemi biologici possono sfruttare le loro cellule viventi per la crescita e la rigenerazione, ma i sistemi di ingegneria non possono. Fino ad ora.

Qiming Wang e i ricercatori della USC Viterbi School of Engineering stanno sfruttando i batteri viventi per creare materiali tecnici resistenti, tollerante, e resiliente. La ricerca è pubblicata su Materiale avanzato .

"I materiali che produciamo sono vivi e crescono da soli, " ha detto Wang, la Stephen Schrank Early Career Chair in Civil and Environmental Engineering e assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso il Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering (CEE). "Da secoli siamo stupiti dalle sofisticate microstrutture dei materiali naturali, soprattutto dopo che furono inventati i microscopi per osservare queste minuscole strutture. Ora facciamo un importante passo avanti:utilizziamo i batteri viventi come strumento per far crescere direttamente strutture straordinarie che non possono essere realizzate da soli".

I ricercatori lavorano con batteri specifici:S. pasteurii, noto per la secrezione di un enzima chiamato ureasi. Quando l'ureasi è esposta all'urea e agli ioni calcio, produce carbonato di calcio, un composto minerale fondamentale e forte che si trova nelle ossa o nei denti. "L'innovazione chiave nella nostra ricerca, " ha detto Wang, "è che guidiamo i batteri a coltivare minerali di carbonato di calcio per ottenere microstrutture ordinate che sono simili a quelle dei compositi mineralizzati naturali".

Wang ha aggiunto:"I batteri sanno come risparmiare tempo ed energia per fare le cose. Hanno la loro intelligenza, e possiamo sfruttare la loro intelligenza per progettare materiali ibridi superiori alle opzioni completamente sintetiche.

Prendere in prestito l'ispirazione dalla natura non è una novità nell'ingegneria. Come si potrebbe sospettare, la natura ha grandi esempi di complessi compositi mineralizzati che sono forti, resistente alla frattura, e smorzamento dell'energia, ad esempio la madreperla o il guscio duro che circonda un mollusco.

Wang ha detto:"Sebbene i microrganismi come i batteri, funghi e virus a volte sono dannosi nel causare malattie, come il COVID-19, ma possono anche essere utili. Abbiamo una lunga storia di utilizzo di microrganismi come fabbriche, ad esempio, usando il lievito per fare la birra. Ma c'è una ricerca limitata sull'uso di microrganismi per produrre materiali ingegneristici".

Combinando batteri viventi e materiali sintetici, Wang ha affermato che questo nuovo materiale vivente dimostra proprietà meccaniche superiori a quelle di qualsiasi materiale naturale o sintetico attualmente in uso. Ciò è in gran parte dovuto alla struttura bouligand del materiale, che è caratterizzato da più strati di minerali disposti ad angoli variabili l'uno dall'altro a formare una sorta di "twist" o forma elicoidale. Questa struttura è difficile da creare sinteticamente.

Wang ha lavorato in collaborazione con i ricercatori della USC Viterbi An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, e Kyung Hoon Lee. Ulteriore supporto è stato fornito da Lizhi Sun, professore di ingegneria civile all'Università della California, Irvine, e il suo studente Shengwei Feng.

Cosa c'è in una forma?

Una delle proprietà chiave di un composito mineralizzato, Wang ha detto, è che può essere manipolato per seguire strutture o schemi diversi. I ricercatori hanno osservato molto tempo fa la capacità di un gambero di mantide di usare il suo "martello" per aprire un guscio muscolare. Guardando il suo "martello" - una struttura o una mano simile a una mazza - più da vicino, hanno scoperto che era sistemato in una struttura bouligand. Questa struttura offre una resistenza superiore a quella disposta ad angoli più omogenei, ad esempio alternando la struttura reticolare del materiale a 90 gradi con ogni strato.

"Creare questa struttura sinteticamente è molto impegnativo sul campo, "Ha detto Wang. "Così abbiamo proposto di utilizzare i batteri per ottenerlo, invece."

Per costruire il materiale, i ricercatori hanno stampato in 3D una struttura reticolare o un'impalcatura. Questa struttura presenta al suo interno riquadri vuoti e gli strati reticolari sono posati ad angolazioni variabili per creare impalcature in linea con la forma elicoidale.

I batteri vengono quindi introdotti in questa struttura. I batteri intrinsecamente amano attaccarsi alle superfici e graviteranno sull'impalcatura, aggrappandosi al materiale con le loro "gambe". Lì i batteri secerneranno ureasi, l'enzima che innesca la formazione di cristalli di carbonato di calcio. Questi crescono dalla superficie in su, alla fine riempiendo i minuscoli quadrati o vuoti nella struttura reticolare stampata in 3D. Batteri come superfici porose, Wang ha detto, permettendo loro di creare modelli diversi con i minerali.

Il Trifecta

"Abbiamo eseguito test meccanici che hanno dimostrato che la resistenza di tali strutture è molto elevata. Sono anche stati in grado di resistere alla propagazione delle crepe - fratture - e di aiutare a smorzare o dissipare l'energia all'interno del materiale, " disse An Xin, uno studente di dottorato CEE.

I materiali esistenti hanno mostrato una resistenza eccezionale, resistenza alla frattura, e dissipazione di energia, ma non è stato dimostrato che la combinazione di tutti e tre gli elementi funzioni così come nei materiali viventi creati da Wang e dal suo team.

"Abbiamo fabbricato qualcosa di molto rigido e forte, " Wang ha detto. "Le implicazioni immediate sono per l'uso in infrastrutture come pannelli aerospaziali e telai di veicoli".

I materiali viventi sono relativamente leggeri, offrendo anche opzioni per applicazioni di difesa come giubbotti antiproiettile o corazze per veicoli. "Questo materiale potrebbe resistere alla penetrazione del proiettile e dissipare energia dal suo rilascio per evitare danni, " disse Yipin Su, un postdoc che lavora con Wang.

C'è anche la possibilità che questi materiali vengano reintrodotti nei batteri quando sono necessarie riparazioni.

"Una visione interessante è che questi materiali viventi possiedano ancora proprietà di auto-crescita, " Wang ha detto. "Quando ci sono danni a questi materiali, possiamo introdurre batteri per far ricrescere i materiali. Per esempio, se li usiamo in un ponte, possiamo riparare i danni quando
necessario."