A Zurigo mini-fabbriche di batteri realizzate con la stampa 3D
I ricercatori della ETH di Zurigo hanno sviluppato un inchiostro biocompatibile per la stampa 3D utilizzando batteri viventi. In questo modo è possibile produrre materiali biologici in grado di rompere le sostanze tossiche o produrre cellulosa di elevata purezza per applicazioni biomediche.
La stampa 3D è una delle novità più interessanti degli ultimi anni; ben presto, non esisterà oggetto che non possa essere prodotto con la stampa 3D. Tuttavia, i materiali utilizzati per questo processo sono ancora “materia morta” come la plastica o i metalli.
Un gruppo di ricercatori del polo di ricerca ETH (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) di Zurigo, guidati dal professor André Studart, responsabile del Laboratorio per i materiali complessi, hanno da poco introdotto una nuova piattaforma di stampa 3D che utilizza la materia vivente. I ricercatori hanno sviluppato un inchiostro contenente batteri che permette di stampare delle strutture con materiali biochimici in miniatura, con proprietà specificamente studiate a seconda dei batteri ai quali viene applicato l’inchiostro.
L’aggiunta di batteri con determinate proprietà
I membri del gruppo di ricerca Patrick Rühs e Manuel Schaffner hanno usato i batteri Pseudomonas putida e Acetobacter xilinum nel loro lavoro. La prima classe di batteri può rompere il fenolo chimico tossico che viene prodotto su larga scala nell’industria chimica, mentre la seconda secerne la nanocellulosa ad alto grado di purezza. Questa cellulosa batterica allevia il dolore, mantiene l’umidità ed è stabile, aprendo la strada a potenziali applicazioni nel trattamento delle ustioni.
La nuova piattaforma di stampa dei ricercatori ETH offre numerose combinazioni potenziali. In un unico passaggio, gli scienziati possono utilizzare fino a quattro inchiostri diversi contenenti differenti specie di batteri a concentrazioni variabili per produrre oggetti dalle svariate proprietà.
L’inchiostro è composto da un idrogel biocompatibile che fornisce la struttura. L’idrogel stesso è composto da acido ialuronico, molecole di zucchero a catena lunga e silice pirogenica. Il terreno di coltura per i batteri viene miscelato con l’inchiostro in modo che i batteri posseggano tutti i prerequisiti per la vita. Utilizzando questo idrogel come base, i ricercatori possono aggiungere batteri con la “gamma di proprietà” desiderata e poi stampare qualsiasi struttura tridimensionale che desiderano.
Viscoso come il dentifricio
Durante lo sviluppo dell’idrogel contenente batteri, le proprietà di fluidità del gel rendono necessaria un’accortezza particolare: l’inchiostro deve essere sufficientemente fluido da poter essere forzato attraverso l’ugello di pressione. La consistenza dell’inchiostro influisce anche sulla mobilità dei batteri. Più rigido è l’inchiostro, più difficile sarà per loro muoversi. Se è invece l’idrogel ad essere troppo rigido, Acetobacter secernerà meno cellulosa. Allo stesso tempo, gli oggetti stampati devono essere abbastanza robusti da sostenere il peso degli strati successivi. Se le stampe sono troppo fluide, non è possibile formare strutture stabili, in quanto queste crollano sotto il peso esercitato su di esse. Secondo Schaffner, per avere la formula del successo “l’inchiostro deve essere viscoso come il dentifricio e avere la consistenza della crema Nivea.”
Gli scienziati hanno chiamato il loro nuovo materiale di stampa “Flink”, che sta per “functional living ink” [inchiostro funzionale vivente], e hanno recentemente presentato questa tecnica all’interno della rivista Science Advances.
Potenziale enorme
Finora, gli scienziati dei materiali non hanno ancora studiato la durata di vita di queste mini-fabbriche stampate.
“Poiché i batteri richiedono pochissime risorse, supponiamo che possano sopravvivere a lungo nelle matrici stampate. La stampa con idrogel a base di batteri ha un enorme potenziale, poiché là fuori esiste una vasta gamma di batteri utili” Rühs.
Tuttavia, la ricerca è ancora in una fase iniziale. Rühs mette sul piatto della bilancia la scarsa reputazione dei microrganismi per la quasi totale mancanza di ricerca esistente sui metodi additivi che utilizzano i batteri. La maggior parte delle persone tendono ad associare i batteri alle malattie, anche se in realtà noi esseri viventi non riusciamo a sopravvivere senza batteri.
Secondo il parere dei ricercatori responsabili dell’esperimento, il nuovo inchiostro testato è completamente sicuro. I batteri utilizzati sono tutti innocui e benefici.
Sensori per le sostanze tossiche e filtri per fuoriuscite di petrolio
Oltre alle applicazioni mediche e biotecnologiche, i ricercatori prevedono molti altri possibili usi. Ad esempio, materiali di questo tipo possono essere utilizzati per studiare i processi di degradazione o la formazione di biofilm. Un’applicazione pratica potrebbe consistere in un sensore stampato in 3D contenente batteri capace di rilevare tossine nell’acqua potabile. Un’altra idea sarebbe quella di creare filtri contenenti batteri da utilizzare nei disastri ambientali causati da grosse fuoriuscite di petrolio. In primo luogo, sarà necessario superare le problematiche portate dalla lentezza dei tempi di stampa e dalla difficile scalabilità. Attualmente l’Acetobacter impiega diversi giorni per produrre cellulosa per applicazioni biomediche. Tuttavia, gli scienziati sono convinti di poter ottimizzare e accelerare ulteriormente i processi.
Lo sviluppo di materiali speciali per la stampa 3D è una specialità del gruppo di ricerca del professore di ETH André Studart. Per citare un ulteriore esempio, il professor Studart e il suo team interdisciplinare hanno sviluppato anche un inchiostro stampabile ad alta porosità in ceramica, che permette la stampa di strutture ossee molto leggere utilizzate per la produzione di energia.
Tradotto in Italiano. Articolo originale: ETHZ
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