16.11.2020 - Aalto University

Wissenschaftler verwenden Bakterien als Mikro-3D-Drucker

Technik schafft hochgradig angepasste Strukturen, die in der regenerativen Medizin eingesetzt werden könnten

Ein Team der Aalto-Universität hat Bakterien verwendet, um aufwendig gestaltete dreidimensionale Objekte aus Nanozellulose herzustellen. Mit ihrer Technik sind die Forscher in der Lage, das Wachstum von Bakterienkolonien durch die Verwendung stark wasserabweisender - oder superhydrophober - Oberflächen zu steuern. Die Objekte weisen ein enormes Potenzial für die medizinische Nutzung auf, unter anderem zur Unterstützung der Geweberegeneration oder als Gerüst für den Ersatz beschädigter Organe.

Im Gegensatz zu faserigen Objekten, die mit den derzeitigen 3D-Druckverfahren hergestellt werden, lassen sich mit der neuen Technik Fasern mit einem Durchmesser, der tausendmal dünner als ein menschliches Haar ist, in beliebiger Ausrichtung, auch über Schichten hinweg, und mit verschiedenen Gradienten von Dicke und Topographie ausrichten, was neue Anwendungsmöglichkeiten bei der Geweberegeneration eröffnet. Derartige physikalische Eigenschaften sind für Stützmaterialien beim Wachstum und bei der Regeneration bestimmter Gewebetypen, die sowohl in Muskeln als auch im Gehirn vorkommen, von entscheidender Bedeutung.

"Es ist, als hätte man Milliarden winziger 3D-Drucker, die in eine Flasche passen", erklärt Luiz Greca, Doktorand an der Universität Aalto. "Wir können uns die Bakterien als natürliche Mikroroboter vorstellen, die die ihnen zur Verfügung gestellten Bausteine aufnehmen und mit dem richtigen Input komplexe Formen und Strukturen erzeugen."

In einer superhydrophoben Form mit Wasser und Nährstoffen - Zucker, Proteinen und Luft - produzieren die aeroben Bakterien Nanozellulose. Die superhydrophobe Oberfläche schließt im Wesentlichen eine dünne Luftschicht ein, die die Bakterien dazu einlädt, einen faserigen Biofilm zu bilden, der die Oberfläche und Form des Formkörpers repliziert. Mit der Zeit wird der Biofilm dicker und die Objekte werden stärker.

Mit Hilfe dieser Technik hat das Team 3D-Objekte mit vorgefertigten Merkmalen geschaffen, die von einem Zehntel des Durchmessers eines einzelnen Haares bis hin zu 15-20 Zentimetern reichen. Die Fasern in Nanogrösse verursachen keine nachteiligen Reaktionen, wenn sie mit menschlichem Gewebe in Kontakt kommen. Die Methode könnte auch zur Züchtung realistischer Organmodelle für die Ausbildung von Chirurgen oder zur Verbesserung der Genauigkeit von In-vitro-Tests eingesetzt werden.

"Es ist wirklich aufregend, diesen Bereich der Biofabrikation zu erweitern, der sich die starken Zellulose-Nanofasern und die Netzwerke, die sie bilden, zunutze macht. Wir erforschen Anwendungen für die altersbedingte Gewebedegeneration, wobei diese Methode ein Schritt vorwärts in diese und andere Richtungen ist", sagt Forschungsgruppenleiter Professor Orlando Rojas. Er fügt hinzu, dass der vom Team verwendete Bakterienstamm, Komagataeibacter medellinensis, auf einem lokalen Markt in der Stadt Medellin, Kolumbien, von früheren Mitarbeitern der Universidad Pontificia Bolivariana entdeckt wurde. Sowohl in der Natur als auch in der Technik werden superhydrophobe Oberflächen so gestaltet, dass sie das Anhaften von Staubpartikeln und Mikroorganismen minimieren. Es wird erwartet, dass diese Arbeit neue Möglichkeiten für die Verwendung superhydrophober Oberflächen zur präzisen Herstellung natürlich hergestellter Materialien eröffnen wird.

Da die Bakterien entfernt oder im Endmaterial belassen werden können, können sich die 3D-Objekte mit der Zeit auch als lebender Organismus entwickeln. Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer vollständigen Kontrolle über bakteriell hergestellte Materialien dar.

Unsere Forschung zeigt wirklich die Notwendigkeit, sowohl die feinen Details der Bakterieninteraktion an Grenzflächen als auch ihre Fähigkeit zur Herstellung nachhaltiger Materialien zu verstehen. Wir hoffen, dass diese Ergebnisse auch Wissenschaftler inspirieren werden, die sich sowohl mit bakterienabweisenden Oberflächen als auch mit der Herstellung von Materialien aus Bakterien beschäftigen", sagt Dr. Blaise Tardy.

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