Une équipe de l’Université Aalto a utilisé des bactéries pour produire des objets tridimensionnels complexes en nanocellulose. Grâce à leur technique, les chercheurs sont capables de guider la croissance des colonies bactériennes grâce à l’utilisation de surfaces fortement hydrofuges – ou superhydrophobes -. Les objets présentent un énorme potentiel pour un usage médical, y compris pour soutenir la régénération des tissus ou comme échafaudages pour remplacer les organes endommagés. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Nano.
Contrairement aux objets fibreux fabriqués par les méthodes d’impression 3D actuelles, la nouvelle technique permet aux fibres, d’un diamètre mille fois plus mince qu’un cheveu humain, d’être alignées dans n’importe quelle orientation, même à travers les couches, et divers gradients d’épaisseur et de topographie, ouvrant de nouvelles possibilités d’application dans la régénération tissulaire. Ces types de caractéristiques physiques sont cruciales pour les matériaux de soutien dans la croissance et la régénération de certains types de tissus présents dans les muscles ainsi que dans le cerveau.
C’est comme avoir des milliards de minuscules imprimantes 3D qui tiennent dans une bouteille. Nous pouvons considérer les bactéries comme des microrobots naturels qui prennent les éléments de base qui leur sont fournis et, avec la bonne entrée, créent des formes et des structures complexes. «
Luiz Greca, doctorant, Université Aalto
Une fois dans un moule superhydrophobe contenant de l’eau et des nutriments – sucre, protéines et air – les bactéries aérobies produisent de la nanocellulose. La surface superhydrophobe emprisonne essentiellement une fine couche d’air, qui invite les bactéries à créer un biofilm fibreux reproduisant la surface et la forme du moule. Avec le temps, le biofilm s’épaissit et les objets deviennent plus forts.
En utilisant cette technique, l’équipe a créé des objets 3D avec des fonctionnalités préconçues, mesurant d’un dixième du diamètre d’un seul cheveu jusqu’à 15-20 centimètres. Les fibres nanométriques ne provoquent pas de réactions indésirables lorsqu’elles sont mises en contact avec des tissus humains. La méthode pourrait également être utilisée pour développer des modèles réalistes d’organes pour la formation de chirurgiens ou pour améliorer la précision des tests in vitro.
«C’est vraiment excitant d’étendre ce domaine de la biofabrication qui tire parti des nanofibres de cellulose solides et des réseaux qu’elles forment. Nous explorons des applications pour la dégénérescence tissulaire liée à l’âge, cette méthode étant un pas en avant dans cette direction et dans d’autres », déclare le professeur Orlando Rojas, chef du groupe de recherche. Il ajoute que la souche de bactérie utilisée par l’équipe, Komagataeibacter medellinensis, a été découverte sur un marché local de la ville de Medellin, en Colombie, par d’anciens collaborateurs de l’Universidad Pontificia Bolivariana. Dans la nature comme dans l’ingénierie, les surfaces superhydrophobes sont conçues pour minimiser l’adhérence des particules de poussière ainsi que des micro-organismes. Ce travail devrait ouvrir de nouvelles possibilités d’utilisation de surfaces superhydrophobes pour produire avec précision des matériaux fabriqués naturellement.
Comme les bactéries peuvent être éliminées ou laissées dans le matériau final, les objets 3D peuvent également évoluer en tant qu’organisme vivant au fil du temps. Les résultats constituent une étape importante vers l’exploitation d’un contrôle total sur les matériaux fabriqués par des bactéries.
«Nos recherches montrent vraiment la nécessité de comprendre à la fois les détails de l’interaction des bactéries aux interfaces et leur capacité à fabriquer des matériaux durables. Nous espérons que ces résultats inspireront également les scientifiques travaillant à la fois sur les surfaces repoussant les bactéries et sur ceux qui fabriquent des matériaux à partir de bactéries », déclare le Dr Blaise Tardy.
La source:
Référence du journal:
Greca, LG, et coll. (2020) Guider l’activité bactérienne pour la biofabrication de matériaux complexes via le mouillage contrôlé des surfaces superhydrophobes. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.0c03999.
