用3D打印的蓝细菌仿生蘑菇产生生物电

2018年11月13日，南极熊从外媒获悉，史蒂文斯理工学院的研究人员开发出使用石墨烯发电的仿生蘑菇。 更准确地说，研究人员在蘑菇的帽子上添加了3D打印的蓝细菌簇，使真菌具有发电能力。他们还投入石墨烯纳米带来收集电流。


蓝藻的惊人生产能力在生物工程界广为人知。然而，研究人员一直限制在生物工程系统中使用这些微生物，因为蓝藻在人工生物相容性表面上不能存活很长时间。 Mannoor和Sudeep Joshi是他实验室的博士后研究员，他想知道蘑菇是否可以为各种细菌提供适当的环境 - 营养，水分，pH和温度 - 蓝藻可以为其提供电力。

“在这种情况下，我们的仿生蘑菇产生电力，”史蒂文斯机械工程助理教授Manu Mannoor说。 “通过整合能够产生电能的蓝细菌和能够收集电流的纳米级材料，我们能够更好地获得两者的独特性质，并创造一个全新的功能性仿生系统。”

Mannoor和Joshi表示，当放置在白色纽扣蘑菇的盖子上时，蓝藻细胞会持续数天，而硅胶和死蘑菇则作为合适的对照。 “这些蘑菇基本上是一种合适的环境基质，具有滋养能量产生蓝藻的先进功能，”Joshi说。 “我们首次展示了混合系统可以在两个不同的微生物王国之间进行人工合作或工程共生。”


为了开发仿生蘑菇，Mannoor和Joshi使用基于机械臂的3D打印机首先打印含有纳米石墨烯的“电子墨水”。这种打印的分支网络通过像纳米探针一样充当蘑菇帽顶部的电力收集网络，以获取蓝藻细胞内部产生的生物电子。 Mannoor解释说，想象一下针刺入单个细胞内以获取其内部的电信号。

接下来，他们将含有蓝细菌的“生物墨水”以螺旋图案打印到蘑菇帽上，所述螺旋图案在多个接触点处与电子墨水相交。在这些位置，电子可以通过蓝细菌的外膜转移到石墨烯纳米带的导电网络。照亮了蘑菇，激活了蓝藻的光合作用，产生了光电流。

除了在工程共生状态下长寿的蓝细菌外，Mannoor和Joshi表明这些细菌产生的电量可以根据它们的密度和排列方式而变化，这样它们的密集程度就越高，他们生产的电力越多。通过3D打印，可以组装它们，以便使用实验室移液器将其发电活性提高八倍于铸造的蓝细菌。

“通过这项工作，我们可以想象下一代生物混合应用的巨大机会，”Mannoor说。 “例如，一些细菌可以发光，而其他细菌可以感知毒素或产生燃料。通过将这些微生物与纳米材料无缝整合，我们可以为环境，国防，医疗保健和许多其他领域实现许多其他令人惊叹的设计生物混合物。”

该团队的工作出现在Nano Letters期刊上。