用3D打印的藍細菌仿生蘑菇產生生物電

2018年11月13日，南極熊從外媒獲悉，史蒂文斯理工學院的研究人員開發(fā)出使用石墨烯發(fā)電的仿生蘑菇。 更準確地說，研究人員在蘑菇的帽子上添加了3D打印的藍細菌簇，使真菌具有發(fā)電能力。 他們還投入石墨烯納米帶來收集電流。

圖片來源：史蒂文斯理工學院Sudeep Joshi

藍藻的驚人生產能力在生物工程界廣為人知。然而，研究人員一直限制在生物工程系統(tǒng)中使用這些微生物，因為藍藻在人工生物相容性表面上不能存活很長時間。 Mannoor和Sudeep Joshi是他實驗室的博士后研究員，他想知道蘑菇是否可以為各種細菌提供適當的環(huán)境 - 營養(yǎng)，水分，pH和溫度 - 藍藻可以為其提供電力。

“在這種情況下，我們的仿生蘑菇產生電力，”史蒂文斯機械工程助理教授Manu Mannoor說。 “通過整合能夠產生電能的藍細菌和能夠收集電流的納米級材料，我們能夠更好地獲得兩者的獨特性質，并創(chuàng)造一個全新的功能性仿生系統(tǒng)�！�

Mannoor和Joshi表示，當放置在白色紐扣蘑菇的蓋子上時，藍藻細胞會持續(xù)數天，而硅膠和死蘑菇則作為合適的對照。 “這些蘑菇基本上是一種合適的環(huán)境基質，具有滋養(yǎng)能量產生藍藻的先進功能，”Joshi說。 “我們首次展示了混合系統(tǒng)可以在兩個不同的微生物王國之間進行人工合作或工程共生。”

為了開發(fā)仿生蘑菇，Mannoor和Joshi使用基于機械臂的3D打印機首先打印含有納米石墨烯的“電子墨水”。這種打印的分支網絡通過像納米探針一樣充當蘑菇帽頂部的電力收集網絡，以獲取藍藻細胞內部產生的生物電子。 Mannoor解釋說，想象一下針刺入單個細胞內以獲取其內部的電信號。

接下來，他們將含有藍細菌的“生物墨水”以螺旋圖案打印到蘑菇帽上，所述螺旋圖案在多個接觸點處與電子墨水相交。在這些位置，電子可以通過藍細菌的外膜轉移到石墨烯納米帶的導電網絡。照亮了蘑菇，激活了藍藻的光合作用，產生了光電流。

除了在工程共生狀態(tài)下長壽的藍細菌外，Mannoor和Joshi表明這些細菌產生的電量可以根據它們的密度和排列方式而變化，這樣它們的密集程度就越高，他們生產的電力越多。通過3D打印，可以組裝它們，以便使用實驗室移液器將其發(fā)電活性提高八倍于鑄造的藍細菌。

“通過這項工作，我們可以想象下一代生物混合應用的巨大機會，”Mannoor說。 “例如，一些細菌可以發(fā)光，而其他細菌可以感知毒素或產生燃料。通過將這些微生物與納米材料無縫整合，我們可以為環(huán)境，國防，醫(yī)療保健和許多其他領域實現許多其他令人驚嘆的設計生物混合物。”

該團隊的工作出現在Nano Letters期刊上。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02642


編譯自：3ders