3D打印能生物发电的仿生蘑菇

供稿人:钟琪 田小永

美国史蒂文斯理工学院的研究团队用3D打印的方法制作出了能发电的“仿生蘑菇”。该研究团队展示了如何结合不同生物物种的能力进行创新应用，并将该研究成果发表在《纳米快讯》期刊上。该研究成果第一次证明了由两个不同微生物界物种构成的混合系统可以进行人工协作或工程共生。

蓝藻是世界上最大的细菌群之一，可通过光合作用产生能量。但以往研究表明，蓝藻细菌在人工表面上的生存能力较差。科学家发现了蓝藻可以转移到植物王国里的其他生物物种身上。因此，在本研究中，研究人员选择了白蘑菇作为依附物。

虽然蘑菇缺乏光合作用能力，但它的结构可以维持其冠层内的蓝藻菌落。通过将蘑菇与能够发电的蓝藻细菌结合在一起，我们能够更好地获得并增强这两种生物的独特特性，创造一个全新的功能性仿生系统。

能够进行光合生物发电的仿生蘑菇，如图1所示。由于光合发电作用的3D打印墨水有两种，分别为石墨烯纳米带(GNRs)和蓝藻细菌。第一步，在蘑菇伞上按斐波那契数列分布3D打印了一个GNRs电极网络。然后，在电极图案的上方，以3D螺旋图案打印了蓝藻。把蘑菇暴露在阳光下可以激活蓝藻的光合作用。打印在蓝藻细菌下面的GNRs电极网络收集由蓝藻细菌产生的电能，最终产生光电流。

图1 生物发电的仿生蘑菇（A）3D打印制造利用蓝藻菌落进行光合作用生物发电的仿生蘑菇示意图（B）聚硅氧烷作为结构支架材料（C）石墨烯纳米带（GNRs）均匀分散在PEDOT:PSS导电基体中，作为3D打印电极网络的电子墨（D）将藻酸盐水凝胶基质中预培养的蓝藻细胞作为生物墨水（E）将机械臂(Fisnar F5200N)改造成基于气动挤压的3D打印机（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打印按斐波那契数列分布的电极网络（H,K）在BM和AM上，3D打印蓝藻菌落

正如论文的结论所述：“目前开发的3D打印仿生蘑菇是一种绿色环保的光合生物电来源，并能滋养用于产生能量的蓝藻菌。我们相信，本研究开发的技术也可以推广到3D打印其他细菌菌落与智能水凝胶材料，以推进仿生集成研究。”

参考文献：
Joshi S, Cook E, Mannoor M S. Bacterial Nanobionics via 3D Printing[J]. Nano letters, 2018.

供稿人:钟琪 田小永