Produrre compositi dall’inchiostro di stampa 3D batterico

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Il metodo potrebbe essere utilizzato per restaurare opere d’arte danneggia
Il metodo potrebbe essere utilizzato per restaurare opere d’arte danneggiate © Eva Baur
I ricercatori hanno pubblicato un metodo per stampare in 3D un inchiostro contenente batteri che producono carbonato di calcio. Il biocomposito mineralizzato stampato in 3D è incredibilmente resistente, leggero e rispettoso dell’ambiente, con una gamma di applicazioni che vanno dall’arte alla biomedicina.

La natura ha una straordinaria capacità di produrre materiali compositi leggeri e resistenti, porosi e rigidi, come le conchiglie dei molluschi o le ossa. Ma produrre tali materiali in laboratorio o in fabbrica, soprattutto utilizzando materiali e processi ecologici, è una vera sfida.

Gli scienziati del Soft Matter Laboratory della Facoltà di Ingegneria si sono rivolti alla natura per trovare una soluzione. Hanno sviluppato un inchiostro stampabile in 3D che contiene Sporosarcina pasteurii: un batterio che, esposto a una soluzione contenente urea, innesca un processo di mineralizzazione che produce carbonato di calcio (CaCO3). Il risultato è che gli scienziati possono usare il loro inchiostro - battezzato BactoInk - per stampare in 3D praticamente qualsiasi forma, che poi si mineralizzerà gradualmente nell’arco di alcuni giorni.

"La stampa 3D sta diventando sempre più importante in generale, ma il numero di materiali che possono essere stampati in 3D è limitato per il semplice motivo che gli inchiostri devono soddisfare determinate condizioni di flusso", spiega Esther Amstad, direttore del laboratorio. "Ad esempio, devono comportarsi come un solido a riposo, ma essere estrudibili attraverso un ugello di stampa 3D - un po’ come il ketchup".

Esther Amstad spiega che gli inchiostri per la stampa 3D contenenti piccole particelle minerali sono già stati utilizzati per soddisfare alcuni di questi criteri di flusso, ma le strutture risultanti tendono a essere morbide o a ritirarsi durante l’essiccazione, causando crepe e perdita di controllo sulla forma del prodotto finale.

"Così abbiamo escogitato un semplice trucco: invece di stampare minerali, abbiamo stampato un’impalcatura polimerica con il nostro BactoInk, che viene poi mineralizzata in un secondo passaggio separato. Dopo circa quattro giorni, il processo di mineralizzazione innescato dai batteri nell’impalcatura porta a un prodotto finale con un contenuto di minerali superiore al 90%".

Il risultato è un biocomposito forte e resistente che può essere prodotto con una stampante 3D standard e con materiali naturali, senza le temperature estreme spesso necessarie per la produzione di ceramica. I prodotti finali non contengono più batteri vivi, poiché vengono immersi in etanolo al termine del processo di mineralizzazione. Il metodo, che descrive il primo inchiostro di stampa 3D che utilizza i batteri per indurre la mineralizzazione, è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materials Today .

Riparazione di opere d’arte, barriere coralline o ossa

L’approccio del Soft Matter Laboratory ha diverse potenziali applicazioni in una vasta gamma di campi, dall’arte alla biomedicina all’ecologia. Esther Amstad ritiene che il restauro delle opere d’arte potrebbe essere facilitato dal BactoInk, che può essere iniettato direttamente in uno stampo o in un sito bersaglio - una crepa in un vaso o una scheggiatura in una statua, per esempio. Le proprietà meccaniche dell’inchiostro gli conferiscono la forza e la resistenza al ritiro necessarie per riparare un’opera d’arte e per prevenire ulteriori danni durante il processo di restauro.

Il fatto che il metodo utilizzi solo materiali ecologici e la sua capacità di produrre un biocomposito mineralizzato lo rende un candidato promettente per la costruzione di coralli artificiali, che possono essere utilizzati per aiutare a rigenerare le barriere marine danneggiate. Infine, il fatto che la struttura e le proprietà meccaniche del biocomposito imitino quelle dell’osso potrebbe potenzialmente renderlo interessante per future applicazioni biomediche.

"La versatilità del processo BactoInk, unita al basso impatto ambientale e alle eccellenti proprietà meccaniche dei materiali mineralizzati, apre molte nuove possibilità di realizzare compositi leggeri e portanti, più simili ai materiali naturali che agli attuali compositi sintetici", afferma Esther Amstad.

Riferimenti

Riferimento: Matteo Hirsch, Lorenzo Lucherini, Ran Zhao, Alexandra Clarà Saracho, Esther Amstad, 3D printing of living structural biocomposites, Materials Today, 2023, https://doi.org/10.1016/­j.mattod.2­023.02.001 .