Mực in 3D từ vi khuẩn sống

Các nhà khoa học Mỹ tạo ra một loại mực sống cấu tạo hoàn toàn từ vi khuẩn. Loại mực chứa vi khuẩn này chảy giống kem đánh răng dưới áp suất cao và có thể in 3D theo nhiều hình dáng khác nhau, bao gồm hình tròn, vuông và hình nón. Tất cả đều có thể giữ nguyên hình dạng và sáng lấp lánh.

Nhóm nghiên cứu mô tả thành phần mực in 3D chứa vi khuẩn trong bài báo công bố hôm 23/11 trên tạp chí Nature Communications. Loại mực mới vẫn đang trong quá trình phát triển nhưng hứa hẹn trở thành vật liệu xây dựng tái tạo quan trọng, có thể tự vá lành và rất lý tưởng để xây nhà ở bền vững trên Trái Đất và trong vũ trụ.

Trước đây, các nhà khoa học từng tạo ra nhiều loại gel in được kết hợp giữa vi khuẩn và polymer. Một loại mực trong số đó chứa axit hyaluronic, chiết xuất từ rong biển và silica hun khói, giúp vật liệu trở nên dày và sệt hơn. Nhưng vật liệu mới không chứa polymer mà sản xuất hoàn toàn từ vi khuẩn E. coli biến đổi gene. Nhóm nghiên cứu sử dụng môi trường nuôi cấy tạo từ tế bào vi khuẩn sống để mực in phát triển. Khi thu hoạch từ môi trường nuôi cấy lỏng, mực in trở nên đặc như thạch, có thể đưa vào máy in 3D để in những cấu trúc sống. Các cấu trúc không phát triển thêm nữa và giữa nguyên hình dạng đã in.

Vi khuẩn là thành phần quan trọng trong nhiều sản phẩm như nước hoa và vitamin. Giới nghiên cứu đã biến đổi vi khuẩn để sản xuất nhựa phân hủy sinh học. Theo Neel Joshi, nhà sinh vật học tổng hợp ở Đại học Đông Bắc, đồng tác giả nghiên cứu, mực in chứa vi khuẩn là trọng tâm trong lĩnh vực vật liệu sống biển đổi gene. Khác với cấu trúc từ bê tông hoặc nhựa, các hệ thống sống tự động điều chỉnh theo môi trường và có khả năng tái tạo.

Thông thường, mực chứa vi khuẩn dựa vào bộ khung polymer để cứng lại. Nhưng polymer có hạn chế riêng và có thể thay đổi đặc điểm cơ học của mực ngoài ý muốn. Ngoài ra, polymer phải tương thích sinh học để vi khuẩn không chết. Polymer tổng hợp như polyethylene thường có nguồn gốc từ dầu và không thể tái tạo.

Nhiều vật liệu sống biến đổi gene có dạng hydrogel, cấu trúc có thể hấp thụ lượng lớn nước. Năm 2018, Joshi và Anna Duraj-Thatte, kỹ sư ở Viện Công nghệ Virginia tạo thành công hydrogel hoàn toàn từ E. coli với khả năng phát triển và tái tạo. Dù loại hydrogel này có thể đưa qua xylanh, nó không đủ cứng để chịu được sức nặng của chính nó, do đó không thể tạo thành bất kỳ cấu trúc nào.

Nhóm nghiên cứu cần làm cứng vật liệu. Họ biến đổi gene vi khuẩn E. coli để sản xuất polymer protein từ fibrin, được thiết kế để liên kết thành mạng giống lưới mắt cáo. Thay đổi này giúp vật liệu cứng lại đủ để in, đồng thời vẫn có thể chảy từ vòi của máy in 3D. Các nhà nghiên cứu đưa mực in 3D tới phòng thí nghiệm của Yu Shrike Zhang, kỹ sư sinh học ở Trường Y Harvard.

Tại đó, họ in mực chứa vi khuẩn theo nhiều mẫu và họa tiết nhằm kiểm tra khả năng duy trì hình dáng của nó. Mực in chảy giống kem đánh răng từ máy in nhưng không bị chảy sau khi in và vượt qua mọi kiểm tra. Họ cũng xem xét sợi mực có thể kéo giãn bao nhiêu mà không đứt. Trong thử nghiệm, vòi phun của máy in nhả ra sợi mực dày nửa milimet qua một hàng cột đặt cách xa nhau. Kết quả là sợi mực có thể chịu được sức nặng của chính nó giữa các cột, mỗi cột cách nhau 156 mm.

Mực chứa vi khuẩn vẫn cần phát triển thêm do dễ bị khô và không đủ ổn định để xây công trình lớn hơn như nhà ở cho con người. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách khiến cấu trúc in 3D trở nên vững chắc hơn. Tuy nhiên, họ nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng trong tương lai của loại mực này là vô hạn.