p Os sistemas biológicos podem aproveitar suas células vivas para crescimento e regeneração, mas os sistemas de engenharia não. Até agora. p Qiming Wang e pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi estão aproveitando bactérias vivas para criar materiais de engenharia fortes, tolerante, e resiliente. A pesquisa é publicada em Materiais avançados .

p "Os materiais que estamos fabricando são vivos e crescem por conta própria, "disse Wang, o Stephen Schrank Early Career Chair em Engenharia Civil e Ambiental e professor assistente de engenharia civil e ambiental no Departamento Sonny Astani de Engenharia Civil e Ambiental (CEE). "Há séculos, ficamos maravilhados com as sofisticadas microestruturas de materiais naturais, especialmente depois que os microscópios foram inventados para observar essas estruturas minúsculas. Agora, damos um importante passo em frente:usamos bactérias vivas como uma ferramenta para desenvolver diretamente estruturas incríveis que não podem ser feitas por nós mesmos. "

p Os pesquisadores trabalham com bactérias específicas - S. pasteurii - conhecido por secretar uma enzima chamada urease. Quando a urease é exposta a íons de ureia e cálcio, produz carbonato de cálcio, um composto mineral fundamental e forte encontrado em ossos ou dentes. "A principal inovação em nossa pesquisa, "disse Wang, "é que orientamos as bactérias a cultivar minerais de carbonato de cálcio para obter microestruturas ordenadas que são semelhantes às dos compostos mineralizados naturais."

p Wang acrescentou:"As bactérias sabem economizar tempo e energia para fazer as coisas. Elas têm sua própria inteligência, e podemos aproveitar sua inteligência para projetar materiais híbridos que são superiores às opções totalmente sintéticas.

p Tirar inspiração da natureza não é novidade na engenharia. Como se poderia suspeitar, a natureza tem grandes exemplos de compostos mineralizados complexos que são fortes, resistente à fratura, e amortecimento de energia - por exemplo nácar ou a casca dura em torno de um molusco.

p Wang disse:"Embora microorganismos como bactérias, fungos e vírus às vezes são prejudiciais ao causar doenças - como o COVID-19 - eles também podem ser benéficos. Temos uma longa história de uso de microorganismos como fábricas - por exemplo, usando fermento para fazer cerveja. Mas há pesquisas limitadas sobre o uso de microrganismos para fabricar materiais de engenharia. "

p Combinando bactérias vivas e materiais sintéticos, Wang disse que este novo material vivo demonstra propriedades mecânicas superiores às de qualquer material natural ou sintético atualmente em uso. Isso se deve em grande parte à estrutura bouligand do material, que é caracterizada por várias camadas de minerais dispostos em ângulos variados entre si para formar uma espécie de "torção" ou forma helicoidal. Essa estrutura é difícil de criar sinteticamente.

p Wang trabalhou em colaboração com os pesquisadores da USC Viterbi, An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, e Kyung Hoon Lee. Suporte adicional foi fornecido por Lizhi Sun, professor de engenharia civil da Universidade da Califórnia, Irvine, e seu aluno Shengwei Feng.

p O que está em uma forma?

p Uma das principais propriedades de um composto mineralizado, Wang disse, é que ele pode ser manipulado para seguir diferentes estruturas ou padrões. Pesquisadores observaram há muito tempo a habilidade de um camarão mantis de usar seu "martelo" para quebrar a casca de um músculo. Olhando para o seu "martelo" - uma estrutura em forma de clube ou mão - mais de perto, eles descobriram que era organizado em uma estrutura bouligand. Essa estrutura oferece resistência superior a uma organizada em ângulos mais homogêneos - por exemplo, alternando a estrutura de rede do material a 90 graus com cada camada.

p "Criar essa estrutura sinteticamente é muito desafiador no campo, "Disse Wang." Então propusemos usar bactérias para alcançá-lo. "

p Para construir o material, os pesquisadores 3-D imprimiram uma estrutura de rede ou andaime. Esta estrutura tem quadrados vazios dentro dela e as camadas de treliça são colocadas em vários ângulos para criar um andaime alinhado com a forma helicoidal.

p As bactérias são então introduzidas nesta estrutura. As bactérias gostam intrinsecamente de se prender às superfícies e gravitarão para o andaime, agarrando o material com suas "pernas". Lá a bactéria secretará urease, a enzima que desencadeia formações de cristais de carbonato de cálcio. Eles crescem da superfície para cima, eventualmente preenchendo os pequenos quadrados ou vazios na estrutura de rede impressa em 3-D. Bactérias como superfícies porosas, Wang disse, permitindo-lhes criar padrões diferentes com os minerais.

p The Trifecta

p "Fizemos testes mecânicos que demonstraram que a resistência dessas estruturas é muito alta. Eles também foram capazes de resistir à propagação de trincas - fraturas - e ajudar a amortecer ou dissipar energia dentro do material, "disse An Xin, um estudante de doutorado do CEE.

p Os materiais existentes mostraram uma resistência excepcional, resistência à fratura, e dissipação de energia, mas a combinação de todos os três elementos não demonstrou funcionar tão bem quanto nos materiais vivos que Wang e sua equipe criaram.

p "Nós fabricamos algo muito rígido e forte, "As implicações imediatas são para o uso em infraestruturas como painéis aeroespaciais e estruturas de veículos", disse Wang.

p Os materiais vivos são relativamente leves, também oferece opções para aplicações de defesa, como armadura corporal ou armadura de veículo. "Este material pode resistir à penetração da bala e dissipar a energia de sua liberação para evitar danos, "disse Yipin Su, um pós-doutorando trabalhando com Wang.

p Existe até potencial para que esses materiais sejam reintroduzidos pelas bactérias quando os reparos forem necessários.

p "Uma visão interessante é que esses materiais vivos ainda possuem propriedades de crescimento próprio, "Disse Wang." Quando houver danos a esses materiais, podemos introduzir bactérias para fazer crescer os materiais de volta. Por exemplo, se os usarmos em uma ponte, podemos reparar danos quando
precisava."