3D打印能生物發(fā)電的仿生蘑菇

供稿人:鐘琪 田小永

美國(guó)史蒂文斯理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)用3D打印的方法制作出了能發(fā)電的“仿生蘑菇”。該研究團(tuán)隊(duì)展示了如何結(jié)合不同生物物種的能力進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，并將該研究成果發(fā)表在《納米快訊》期刊上。該研究成果第一次證明了由兩個(gè)不同微生物界物種構(gòu)成的混合系統(tǒng)可以進(jìn)行人工協(xié)作或工程共生。

藍(lán)藻是世界上最大的細(xì)菌群之一，可通過光合作用產(chǎn)生能量。但以往研究表明，藍(lán)藻細(xì)菌在人工表面上的生存能力較差。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻可以轉(zhuǎn)移到植物王國(guó)里的其他生物物種身上。因此，在本研究中，研究人員選擇了白蘑菇作為依附物。

雖然蘑菇缺乏光合作用能力，但它的結(jié)構(gòu)可以維持其冠層內(nèi)的藍(lán)藻菌落。通過將蘑菇與能夠發(fā)電的藍(lán)藻細(xì)菌結(jié)合在一起，我們能夠更好地獲得并增強(qiáng)這兩種生物的獨(dú)特特性，創(chuàng)造一個(gè)全新的功能性仿生系統(tǒng)。

能夠進(jìn)行光合生物發(fā)電的仿生蘑菇，如圖1所示。由于光合發(fā)電作用的3D打印墨水有兩種，分別為石墨烯納米帶(GNRs)和藍(lán)藻細(xì)菌。第一步，在蘑菇傘上按斐波那契數(shù)列分布3D打印了一個(gè)GNRs電極網(wǎng)絡(luò)。然后，在電極圖案的上方，以3D螺旋圖案打印了藍(lán)藻。把蘑菇暴露在陽光下可以激活藍(lán)藻的光合作用。打印在藍(lán)藻細(xì)菌下面的GNRs電極網(wǎng)絡(luò)收集由藍(lán)藻細(xì)菌產(chǎn)生的電能，最終產(chǎn)生光電流。

圖1 生物發(fā)電的仿生蘑菇（A）3D打印制造利用藍(lán)藻菌落進(jìn)行光合作用生物發(fā)電的仿生蘑菇示意圖（B）聚硅氧烷作為結(jié)構(gòu)支架材料（C）石墨烯納米帶（GNRs）均勻分散在PEDOT:PSS導(dǎo)電基體中，作為3D打印電極網(wǎng)絡(luò)的電子墨（D）將藻酸鹽水凝膠基質(zhì)中預(yù)培養(yǎng)的藍(lán)藻細(xì)胞作為生物墨水（E）將機(jī)械臂(Fisnar F5200N)改造成基于氣動(dòng)擠壓的3D打印機(jī)（F,I）仿生蘑菇 (biotic mushroom, BM) 和人工蘑菇 (abiotic mushroom, AM)（G,J）在BM和AM上，3D打印按斐波那契數(shù)列分布的電極網(wǎng)絡(luò)（H,K）在BM和AM上，3D打印藍(lán)藻菌落

正如論文的結(jié)論所述：“目前開發(fā)的3D打印仿生蘑菇是一種綠色環(huán)保的光合生物電來源，并能滋養(yǎng)用于產(chǎn)生能量的藍(lán)藻菌。我們相信，本研究開發(fā)的技術(shù)也可以推廣到3D打印其他細(xì)菌菌落與智能水凝膠材料，以推進(jìn)仿生集成研究。”

參考文獻(xiàn)：
Joshi S, Cook E, Mannoor M S. Bacterial Nanobionics via 3D Printing[J]. Nano letters, 2018.

供稿人:鐘琪 田小永