EPFL研究人員發(fā)表了一種3D打印墨水的方法,這種墨水含有產(chǎn)生碳酸鈣的細(xì)菌。這種3D打印的礦化生物復(fù)合材料前所未有地堅(jiān)固、輕便且環(huán)保,具有從藝術(shù)到生物醫(yī)學(xué)的一系列應(yīng)用。
大自然有一種非凡的訣竅,可以生產(chǎn)出既輕便又堅(jiān)固、多孔又堅(jiān)硬的復(fù)合材料——就像軟體動(dòng)物的殼或骨頭。但在實(shí)驗(yàn)室或工廠生產(chǎn)此類材料——尤其是使用環(huán)保材料和工藝——極具挑戰(zhàn)性。
工程學(xué)院軟材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員轉(zhuǎn)向大自然尋求解決方案。他們率先開發(fā)了一種含有巴斯德氏孢子八疊球菌的3D打印墨水:一種細(xì)菌,當(dāng)暴露在含尿素的溶液中時(shí),會(huì)觸發(fā)礦化過程,產(chǎn)生碳酸鈣(CaCO3)。結(jié)果是研究人員可以使用他們的墨水——被稱為BactoInk——來3D打印幾乎任何形狀,然后這些形狀將在幾天內(nèi)逐漸礦化。
總體而言,3D打印變得越來越重要,但可用于3D打印的材料數(shù)量有限,原因很簡單,墨水必須滿足特定的流動(dòng)條件。例如,它們在靜止時(shí)必須表現(xiàn)得像固體,但仍可通過3D打印噴嘴擠出——有點(diǎn)像番茄醬。”
Amstad解釋說,含有小礦物顆粒的3D打印油墨以前曾用于滿足其中一些流動(dòng)標(biāo)準(zhǔn),但由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)往往是柔軟的,或者在干燥時(shí)收縮,導(dǎo)致開裂和失去對形狀的控制。完成品。
“所以,我們想出了一個(gè)簡單的技巧:我們沒有打印礦物質(zhì),而是使用BactoInk打印了聚合物支架,然后在第二個(gè)單獨(dú)的步驟中將其礦化。大約四天后,由細(xì)菌引發(fā)的礦化過程腳手架導(dǎo)致最終產(chǎn)品的礦物質(zhì)含量超過90%。”
其結(jié)果是一種堅(jiān)固且有彈性的生物復(fù)合材料,可以使用標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)和天然材料生產(chǎn),并且不需要制造陶瓷通常需要的極端溫度。最終產(chǎn)品不再含有活細(xì)菌,因?yàn)樗鼈冊诘V化過程結(jié)束時(shí)被浸沒在乙醇中。
該方法描述了第一種使用細(xì)菌誘導(dǎo)礦化的3D打印墨水,最近發(fā)表在《今日材料》雜志上。
修補(bǔ)藝術(shù)品、珊瑚礁或骨骼
軟材料實(shí)驗(yàn)室的方法在從藝術(shù)和生態(tài)學(xué)到生物醫(yī)學(xué)等廣泛領(lǐng)域具有多種潛在應(yīng)用。Amstad認(rèn)為,BactoInk可以極大地促進(jìn)藝術(shù)品的修復(fù),它也可以直接注入模具或目標(biāo)位置——例如花瓶的裂縫或雕像的碎片。墨水的機(jī)械性能賦予它修復(fù)藝術(shù)品所需的強(qiáng)度和抗收縮性,并防止在修復(fù)過程中進(jìn)一步損壞。
該方法僅使用環(huán)保材料,并且能夠生產(chǎn)礦化生物復(fù)合材料,這也使其成為建造人造珊瑚的有前途的候選者,可用于幫助再生受損的海洋珊瑚礁。最后,生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能模仿骨骼的事實(shí)可能會(huì)使其對未來的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生興趣。
“BactoInk加工的多功能性,結(jié)合礦化材料的低環(huán)境影響和優(yōu)異的機(jī)械性能,為制造輕質(zhì)、承重復(fù)合材料開辟了許多新的可能性,這些復(fù)合材料更類似于天然材料,而不是今天的合成復(fù)合材料,”阿姆斯塔德總結(jié)道。
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