Un gruppo di ricercatori dell’EPFL ha pubblicato un metodo innovativo per stampare in 3D un inchiostro che contiene batteri produttori di carbonato di calcio, con l’obiettivo di produrre compositi mineralizzati simili alle ossa. Il prodotto finale è un bio-composito forte, leggero, rispettoso dell’ambiente e adatto a molte applicazioni diverse, che vanno dall’arte alla biomedicina.
Nella natura, esistono materiali compositi straordinariamente leggeri, resistenti e rigidi, come ad esempio le ossa e i gusci dei molluschi. Tuttavia, la produzione di questi materiali in laboratorio o in fabbrica, utilizzando materiali e processi rispettosi dell’ambiente, è sempre stato un compito estremamente difficile.
Per risolvere questa problematica, i ricercatori del Soft Materials Laboratory della School of Engineering si sono rivolti alla natura stessa per trovare una soluzione. In particolare, hanno sperimentato un inchiostro stampabile in 3D che contiene un particolare tipo di batterio, il Sporosarcina pasteurii, il quale, se esposto a una soluzione contenente urea, innesca un processo di mineralizzazione che produce carbonato di calcio (CaCO3). Grazie a questo inchiostro, che viene chiamato BactoInk, i ricercatori possono stampare in 3D praticamente qualsiasi forma, che poi si mineralizza gradualmente nel corso di pochi giorni.
Secondo Esther Amstad, responsabile del laboratorio, “La stampa 3D sta acquisendo un’importanza crescente in generale, ma il numero di materiali che possono essere stampati in 3D è limitato per il semplice motivo che gli inchiostri devono soddisfare determinate condizioni di flusso. Ad esempio, devono comportarsi come un solido quando sono a riposo, ma essere comunque estrudibili attraverso un ugello di stampa 3D, una specie di ketchup”.
Per superare queste limitazioni, i ricercatori hanno sviluppato un semplice trucco: invece di stampare minerali, hanno stampato un’impalcatura polimerica utilizzando il BactoInk, che viene poi mineralizzata in un secondo passaggio separato. Dopo circa quattro giorni, il processo di mineralizzazione innescato dai batteri nell’impalcatura porta a un prodotto finale con un contenuto di minerali superiore al 90%. Il risultato è un biocomposito forte e resistente, che può essere prodotto utilizzando una stampante 3D standard e materiali naturali, senza le temperature estreme spesso richieste per la produzione di ceramiche. Inoltre, i prodotti finali non contengono più batteri viventi, poiché vengono immersi nell’etanolo alla fine del processo di mineralizzazione.
Il metodo, che descrive il primo inchiostro per stampa 3D che utilizza i batteri per indurre la mineralizzazione, è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materials Today.Il metodo del Soft Materials Lab presenta molte potenziali applicazioni in diversi campi, oltre a quelli già menzionati. Ad esempio, il biocomposito mineralizzato prodotto con l’inchiostro BactoInk potrebbe essere utilizzato per riparare ossa danneggiate o per la produzione di protesi ossee. Inoltre, la sua struttura e le proprietà meccaniche, che imitano quelle dell’osso umano, potrebbero renderlo interessante per la fabbricazione di impianti e altri dispositivi biomedici.
In campo edilizio, il biocomposito mineralizzato potrebbe essere utilizzato per la produzione di materiali da costruzione leggeri, resistenti e rispettosi dell’ambiente, come blocchi per muri, pannelli isolanti o piastrelle. Inoltre, la sua capacità di produrre un composito forte e resistente in ambienti a bassa temperatura potrebbe rendere questo metodo una valida alternativa ai processi di produzione di materiali ceramici, che richiedono temperature molto elevate.
L’uso di materiali naturali ed ecocompatibili e la sua capacità di produrre un biocomposito mineralizzato lo rende anche un candidato promettente per la costruzione di coralli artificiali, che possono essere utilizzati per aiutare a rigenerare le barriere marine danneggiate. Inoltre, il biocomposito potrebbe anche essere utilizzato per la produzione di filtri d’acqua, poiché il carbonato di calcio ha proprietà di filtraggio naturali.
In generale, la versatilità del metodo BactoInk, combinata con le sue proprietà meccaniche eccezionali e il basso impatto ambientale, apre molte nuove possibilità per la fabbricazione di compositi leggeri e resistenti, che sono più simili ai materiali naturali che ai compositi sintetici di oggi.
© Eva Baur