国内成人免费视频|中文字幕一区精品欧美|国产精品玖玖玖在线观看|国产成人精品久久免费动漫|欧美日韩亚洲一区在线观看|91午夜精品亚洲一区二区|9 9久热RE在线精品视频|精品无码国产不卡在线观看首页

《Nature Materials》重磅:為3D打印注入“生命力”!

3D打印前沿
2023
01/03
11:20
分享
評(píng)論
來(lái)源: EngineeringForLife

近年來(lái),3D打印的概念逐漸為人們所熟知,其主要是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。目前已經(jīng)有了許多不同的商業(yè)化3D打印機(jī),并在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而實(shí)際上,3D打印更為重要的潛在應(yīng)用就是用于人工器官和組織修復(fù)材料的精密制造、以及人工智能的構(gòu)建等領(lǐng)域,但目前的3D打印大多都是使用非生命材料打印制造非生命結(jié)構(gòu),想要實(shí)現(xiàn)上述的宏遠(yuǎn)目標(biāo),一個(gè)重要的過(guò)程就是對(duì)3D打印注入“生命力”,賦予3D打印材料生命!尤其是生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)的許多新特性,在工程生物材料中仍然沒(méi)有得到有效的結(jié)合和探索。


細(xì)菌、真菌等微生物在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)處不在,近年來(lái),這些微生物的一些獨(dú)特生物過(guò)程逐漸被深入開(kāi)發(fā)利用,甚至作為組分合成了一系列具有獨(dú)特功能的生物基合成材料,為這些合成材料的在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用增添了新的希望。近日,受真菌菌絲體的啟發(fā),來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工的André R. Studart教授等人創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種利用真菌菌絲的新興特性整合3D打印技術(shù)來(lái)制造具有“生命”的復(fù)雜材料的方法,該策略制備的活體材料可實(shí)現(xiàn)自我修復(fù),再生和環(huán)境適應(yīng),同時(shí)充分發(fā)揮材料的功能服務(wù)于特定的工程目的。該材料的制作主要是將裝載真菌的水凝膠利用3D打印技術(shù)打印成晶格結(jié)構(gòu),從而促進(jìn)菌絲在水凝膠里的定位植入,并實(shí)現(xiàn)間隙之間的橋連,研究還基于該方法制造了一種具有“生命力”的仿生皮膚材料,該材料展現(xiàn)出堅(jiān)固的機(jī)械性能,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自我清潔、以及損傷后自動(dòng)適應(yīng)和再生。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”為題,于2022年12月22日發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》,并進(jìn)行Research Briefing專(zhuān)欄報(bào)道。


1. 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

傳統(tǒng)的合成材料都會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化,在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下無(wú)法進(jìn)行自適應(yīng)或愈合。此外,制造這些材料通常需要高溫和苛刻的條件,而相比之下,由生物有機(jī)體制成的生物材料,如木材和骨骼,都可以實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)、自我再生并自主適應(yīng)環(huán)境的特性,從而更全面地發(fā)揮其生物功能,此外,這些生物材料通?梢栽跍睾偷臏囟认掠缮矬w的生物機(jī)械驅(qū)動(dòng)的水生產(chǎn)。工程生物材料領(lǐng)域近年來(lái)也一直都在研究利用微生物生物學(xué)為材料帶來(lái)生命,并取得了相應(yīng)的一些研究進(jìn)展,但現(xiàn)在亟需解決的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容是,如何探索在自然界中為特定任務(wù)進(jìn)化的真菌生物機(jī)制與工程應(yīng)用中功能和幾何約束的相互協(xié)調(diào)和輔助。

2. 創(chuàng)新型解決方案

通過(guò)3D打印裝載有菌絲的水凝膠(該真菌菌絲用來(lái)從土壤中提取養(yǎng)分的根狀菌絲網(wǎng)絡(luò)),研究者們創(chuàng)造了具有定制幾何形狀和自我再生特性的活體材料。3D打印可以將活體材料塑造成多樣的幾何結(jié)構(gòu),并保留由菌絲體編碼結(jié)構(gòu)所需的生物機(jī)制,使得其具有自我再生和適應(yīng)的活體生命能力。研究選取真菌作為目標(biāo)微生物,主要是由于真菌已經(jīng)進(jìn)化為通過(guò)土壤顆粒之間的縫隙生長(zhǎng),可以通過(guò)橋接因破壞而產(chǎn)生的開(kāi)放空間來(lái)再生響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。為了利用真菌的這一潛力,研究打印了網(wǎng)格狀水凝膠結(jié)構(gòu),從而為菌絲生長(zhǎng)提供一個(gè)機(jī)械堅(jiān)固的開(kāi)放氣道結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)豐富的環(huán)境,該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用粒狀水凝膠基材打印,該基材由接種有真菌的凝膠培養(yǎng)基組成,分布在基材中的菌絲從而可以在最終打印結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)相互連接的真菌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

圖1 通過(guò)3D打印富含菌絲體的水凝膠制成的活體復(fù)合材料和物體

該研究結(jié)合3D打印得到的材料中的活菌絲展現(xiàn)出了兩種生長(zhǎng)模式:結(jié)合周?chē)h(huán)境的探索(游擊模式)和開(kāi)發(fā)(方陣模式)的平衡生長(zhǎng)策略。這種生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生分形菌絲網(wǎng)絡(luò),為3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度,且該過(guò)程在室溫下與于水中即可發(fā)生。此外,菌絲在受損部位的生長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的自行愈合,愈合尺寸高達(dá)2 mm( 直徑),這些過(guò)程中真菌的生長(zhǎng)和分裂僅由營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)支持,無(wú)需人為干預(yù)。因此,該方法能夠用于高效地制造具有復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的活性材料。此外,該研究開(kāi)發(fā)的這一活體打印材料與之前的研究不同,在這些打印的菌絲體結(jié)構(gòu)中,真菌可以在制造過(guò)程結(jié)束時(shí)仍然保持較好的生命力。除了自我修復(fù),菌絲體網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)也可以用于合并打印的水凝膠以形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。研究最后還通過(guò)3D打印活體功能性皮膚,并將其應(yīng)用于無(wú)約束機(jī)器人和可編程抓取器,從而展示了富含菌絲體的3D打印水凝膠極大的應(yīng)用潛力。

圖2 10%麥芽濃度菌絲體活體材料的生長(zhǎng)和機(jī)械硬度

3. 未來(lái)研究方向

通過(guò)將3D打印提供的靈活成型能力與微生物的生物機(jī)制相結(jié)合,該研究的創(chuàng)新策略有望被推廣到增材制造其他功能性生物材料。機(jī)器人皮膚和建筑元素的設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些生物材料的適應(yīng)性行為和溫和的加工條件進(jìn)行高效優(yōu)化。且與傳統(tǒng)的機(jī)器人和建筑部件不同,功能性生物材料可以自主改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以修復(fù)損傷,并對(duì)環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)性行為。通過(guò)利用真菌網(wǎng)絡(luò)探索和利用其在自然環(huán)境中的固有能力,3D打印活菌絲體將能夠被設(shè)計(jì)為可感知、驅(qū)動(dòng)甚至響應(yīng)外部刺激的多功能仿生活體材料。

圖3 菌絲體活性材料的存活、自愈及應(yīng)用

基于這一工作,未來(lái)的研究將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)可以長(zhǎng)期供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和清除成型真菌廢物的復(fù)雜生物機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)更加系統(tǒng)的材料功能控制,研究認(rèn)為結(jié)合人工血管網(wǎng)絡(luò)可能可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),甚至可以從周?chē)h(huán)境中獲取營(yíng)養(yǎng)。當(dāng)然,了解該研究中菌絲體網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及活性物質(zhì)如何與其環(huán)境相互作用,對(duì)于為工程應(yīng)用的活菌絲體材料的設(shè)計(jì)藍(lán)圖十分重要。此外,利用3D打印作為控制真菌和其他微生物的空間分布的工具,拓寬打印過(guò)程中功能性微生物的多樣性并探索共生相互作用,將有助于開(kāi)發(fā)可以利用多級(jí)生物過(guò)程的復(fù)雜智能生物材料。



文章來(lái)源:
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01429-5






上一篇:水凝膠灌注法微體系結(jié)構(gòu)金屬增材制造
下一篇:新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)綜述:4D打印液晶彈性體研究進(jìn)展
回復(fù)

使用道具 舉報(bào)

推動(dòng)3D打印

關(guān)注南極熊

通知

聯(lián)系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南極熊3D打印網(wǎng)

致力于推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展

Copyright © 2024 南極熊 By 3D打印 ( 京ICP備14042416號(hào)-1 ) 京公網(wǎng)安備11010802043351
快速回復(fù) 返回列表 返回頂部