Badacze tworzą Bionic Mushroom z grafenem i drukowanymi sinicami 3D

Korzystając z druku 3D, naukowcy z Stevens Institute of Technology stworzyli bioniczny grzyb. Czemu? Właściwy powód. Naukowcy pracują nad lepszym zrozumieniem mechanizmów biologicznych komórek i ich wykorzystaniem do tworzenia nowych technologii w obronie, opiece zdrowotnej i środowisku.

Grzyb - zwykły biały ze sklepu spożywczego - zmodyfikowane za pomocą drukowanych w 3D grup sinic wytwarzających elektryczność, a także nanocząsteczek grafenu, które zbierają prąd.

"W tym przypadku nasz system - ten bioniczny grzyb - wytwarza elektryczność" - powiedział Manu Mannoor, adiunkt inżynierii mechanicznej w Stevens. "Poprzez integrację cyjanobakterii, które mogą wytwarzać elektryczność, z nanoskalowymi materiałami zdolnymi do zbierania prądu, byliśmy w stanie uzyskać lepszy dostęp do unikalnych właściwości obu, poszerzyć je i stworzyć zupełnie nowy funkcjonalny system bioniczny."

W świecie bioinżynierii zdolność wytwarzania elektryczności przez cyjanobakterie jest znana od dawna; jednak cyjanobakterie nie przetrwają długo na sztucznych, biokompatybilnych powierzchniach, co oznacza, że ​​naukowcy mają ograniczoną zdolność wykorzystywania organizmów w systemach bioinżynieryjnych. Mannoor i doktor habilitowany Sudeep Joshi wpadli na pomysł wykorzystania grzybów, ponieważ naturalnie są gospodarzem złożonej mikroflory i mogą potencjalnie dostarczyć składników odżywczych, wilgoci, pH i temperatury niezbędnych do przetrwania sinic i produkcji energii elektrycznej.

W swoim laboratorium Mannoor i Joshi udało się uzyskać cyjanobakterie, które przetrwają kilka dni dłużej, gdy zostaną umieszczone na czapce białego grzyba guzika, niż gdy są umieszczone na martwym lub sztucznym grzybie.

"Grzyby zasadniczo służą jako odpowiedni substrat środowiskowy o zaawansowanej funkcjonalności odżywiania wytwarzających energię cyjanobakterii "- powiedział Joshi. "Pokazaliśmy po raz pierwszy, że system hybrydowy może zawierać sztuczną współpracę lub zaprojektowaną symbiozę między dwoma różnymi królestwami mikrobiologicznymi."

Obaj badacze najpierw użyli zrobotyzowanej, opartej na ramionach drukarki 3D, aby wydrukować atrament elektroniczny zawierający nanowstęgi grafenu, który służył jako sieć zbierająca energię elektryczną. Następnie wydrukowali bio-tusz zawierający cyjanobakterie na czapce grzyba w spiralnym wzorze, przecinającym się z atramentem elektronicznym w wielu punktach. W tych miejscach elektrony mogą przenosić się z zewnątrzbłony cyjanobakterii do przewodzącej sieci nanowstęgi grafenu. Kiedy światło świeciło na grzybach, fotosynteza sinicowa została aktywowana i wygenerowano fotoprzewodzący.

Naukowcy wykazali, że ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez bakterie może się różnić w zależności od gęstości i ustawienia, z jakim są one pakowane - im gęstsze są razem, tym więcej energii elektrycznej wytwarzają. Druk 3D pozwolił im zmontować bakterie, aby zwiększyć ich aktywność elektryczną o osiem razy większą niż cyjanobakterie, które zostały odlane za pomocą pipety.

Manoor, Joshi i współautor Ellis Cook są pierwszymi, którzy utworzyli schemat 3D drukowane komórki bakterii, aby wzmocnić swoje zachowania generujące energię elektryczną, a także zintegrować je w celu stworzenia funkcjonalnej architektury bionicznej.

"Dzięki tej pracy możemy sobie wyobrazić ogromne możliwości dla aplikacji biohybrydowych następnej generacji, "Mannoor powiedział. "Na przykład niektóre bakterie mogą świecić, podczas gdy inne wyczuwają toksyny lub produkują paliwo. Poprzez płynną integrację tych mikroorganizmów z nanomateriałami, moglibyśmy potencjalnie zrealizować wiele innych niesamowitych bio-hybryd projektantów dla środowiska, obrony, opieki zdrowotnej i wielu innych dziedzin. "