Sensor-Tinte

Eine lebende Bakterientinte für den 3D-Druck

Materialien auf Bakterienbasis enthalten mikrobielles Leben. Erinnerst du dich an die Bakteriellen Hydrogele? Was wäre, wenn wir diese funktionalen Hydrogele in beliebiger Form 3D-drucken und als lebende Umweltsensoren verwenden könnten? Die Sensor-Tinte macht dies möglich! Mit der Sensor-Tinte kannst du leuchtende, reaktive Hydrogele in filigranen Formen und mit vielen verschiedenen möglichen Funktionen 3D-drucken.

Forscher:innen

Marco BinelliAnton KanLuis RozasGiovanni PisaturoNamita PrakashAndré R. Studart

Institution

Complex Materials Group, ETH Zürich

Eigenschaften

Was ist besonders daran?

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Lebendig

Sensor-Tinte enthält lebende Bakterien. Du musst nur dafür sorgen, dass sie überleben und gesund bleiben. Das ist ganz einfach, wenn man bedenkt, dass Bakterien unter uns leben, ohne dass jemand sie absichtlich füttert! Gib ihnen ein paar Nährstoffe wie Zucker und sie werden lange Zeit überleben!

Ein mit *Sensor-Tinte* gedrucktes Objekt, das leuchtende Bakterien enthält.

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(Re)aktiv

Die in der Sensor-Tinte enthaltenen Bakterien reagieren auf ihre Umgebung. Mit Hilfe von biolumineszierenden oder melaninproduzierenden Bakterien können Objekte, die mit der Sensor-Tinte gedruckt werden, so programmiert werden, dass sie ihre Farbe als Reaktion auf bestimmte chemische Prozesse anpassen. Sie können als Sensor verwendet werden, um verborgene Umwelteigenschaften sichtbar zu machen, genau wie ein Display.

5 mm
Überlagerte Fotos einer 3D-gedruckten Vorrichtung mit zwei Bakterienstämmen, die die Entwicklung von Farbe und Biolumineszenz im Laufe der Zeit zeigen.

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Licht emittierend oder blockierend

Die Sensor-Tinte ist lichtdurchlässig und ihr Aussehen kann mit den enthaltenen Bakterien angepasst werden. Wenn die Sensor-Tinte biolumineszente Bakterien enthält, kann das gedruckte Hydrogel im Dunkeln wie eine Qualle leuchten. Je grösser die Oberfläche ist, desto leuchtender werden die Mikroben durch die erhöhte bakterielle Aktivität. Sie leuchten nur, wenn sie glücklich sind und mit Nährstoffen gefüttert werden. Es ist auch möglich, das Licht zu blockieren, indem man genetisch veränderte E. coli-Bakterien beim Entwerfen und Drucken von Hydrogelen verwendet.

5 mm

Fotos eines Gyroids (links) und eines Würfels (rechts), die mit Sensor-Tinte gedruckt wurden, die mit Photobacterium kishitanii beladen sind. Die Strukturen werden entweder unter Beleuchtung oder im Dunkeln mit längeren Belichtungszeiten fotografiert, um ihre Biolumineszenz einzufangen

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Flüssig und 3D-druckbar

Sensor-Tinte ist eine flüssige Tinte, die bereit für den 3D-Druck ist. Du kannst komplexe Geometrien drucken, die sonst nur schwer herzustellen sind. Sie bietet eine hohe Auflösung und kann empfindliche natürliche Strukturen wie Korallen imitieren. Der Druckprozess ermöglicht eine grosse Porosität, die mehr Oberfläche für bakterielle Aktivität bietet.

Eine Testdruck in der Form eines Gyroids, gedruckt mit einem konventionellen Resin. Die Gyroid-Struktur kann in der Polymerwissenschaft und Biologie als Geometrie mit grosser Oberfläche natürlich vorkommen.

© Gerardo Lucio, CC BY-NC-ND 2.0

Korallen haben eine grosse Oberfläche, um mit ihrer Umgebung zu interagieren. Eine Geometrie, die ideal für mit Bakterien durchsetzte Materialien ist – wie Objekte, die mit *Sensor-Tinte* gedruckt wurden.

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Autonom und effizient

Lebende Systeme können autonom und effizient funktionieren und verbrauchen dabei sehr wenig Energie. Stell dir vor, mit der mit Bakterien gefüllten Tinte selbstversorgte Geräte zu entwickeln!

Anwendungen

Was können wir damit machen?

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Sensoren und mehr

Mögliche Anwendungsbereiche für Sensor-Tinte sind Medizin, Robotik, Umweltsensorik und Infrastruktur.

Aus Sensor-Tinte gedruckte Objekte könnten als energiesparende Umweltsensoren verwendet werden. Sie könnten die Wasserqualität messen, Schadstoffe aufspüren und unterschiedliche Konzentrationen von Molekülen durch Leuchten oder Farbwechsel erkennen. Bakterien können so verändert werden, dass sie dieses Material erkennen und auf bestimmte Umweltbedingungen reagieren. Verschiedene Bakterien könnten für bestimmte Funktionen eingesetzt werden. Die Forschung ist jedoch noch weit von der Anwendung entfernt, da die Entwicklung dieser Materialklasse gerade erst begonnen hat.

In Zukunft könnten sogar Miniatur-Ökosysteme entwickelt werden - kleine mikrobielle Fabriken, die komplexe Funktionen erfüllen und sich selbst mit Energie versorgen - wie zum Beispiel eine bakterielle Wetterstation, die die Luftqualität misst. Die Möglichkeiten sind endlos!

Wie könnte ein Sensor aussehen, der aus *Sensor-Tinte* gedruckt wurde?

"Ich hoffe, dass jemand das System, das ich entwickelt habe, nutzt, um ein selbstversorgendes Gerät mit Bakterien zu bauen, das tatsächlich etwas kann. Ich denke, es ist ein sehr spannendes Feld, weil es, wie ich zu vermitteln versuche, sehr aktiv erforscht wird und man durch die Veränderung von Bakterien wirklich eine Menge verschiedener Dinge tun kann. Mehr, als ich mir vorstellen kann, um ehrlich zu sein."

Marco Binelli, Forscher, ETH Zürich

Zusammensetzung

Woraus ist es gemacht?

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Die Sensor-Tinte ist eine Mischung aus Wasser, Bakterien und einer polymerisierbaren Komponente, die es ermöglicht, die flüssige Tinte beim Drucken in ein festes Hydrogel zu verwandeln. Das resultierende Hydrogel ist ein Polymer, das Wasser bindet und die Bakterien enthält.

Je nach Anwendungsfall kann die Tinte mit verschiedenen Wildtypen oder genetisch veränderten Bakterien versetzt werden. Um zum Beispiel eine Sensor-Tinte herzustellen, die unter bestimmten Bedingungen leuchtet, kann ein biolumineszentes Bakterium namens Photobacterium kishitanii verwendet werden. Man findet sie im Lichtorgan von Physiculus japonicus, einem Tiefseefisch, der in den Gewässern Japans lebt.

Die Tinte selbst enthält keine Nährstoffe, um die Bakterien im Inneren zu ernähren, damit es beim Druckprozess nicht zu Problemen durch chemische Unverträglichkeiten kommt. Stattdessen müssen sie einige Stunden lang ohne Nahrung überleben, bis der Druckvorgang abgeschlossen ist.