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Bacterial biofilms in functionalized materials

Applicant Rühs Patrick Alberto
Number 171234
Funding scheme Return CH Advanced Postdoc.Mobility
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.03.2019 - 31.07.2019
Approved amount 40'900.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Experimental Microbiology

Keywords (8)

3D printing; soft materials; bacterial cellulose; living materials; rheology; functional materials; bacterial biofilms; bioinspired

Lay Summary (German)

Lead
Bakterien synthetisieren Biofilme, um sich vor Umwelteinflüssen zu schützen. Diese Biofilme weisen eine grosse Bandbreite möglicher Zusammensetzungen auf und beinhalten beispielsweise Zellulose, Polymere, DNA, Magnetite oder CaCO3. Hierdurch ergeben sich aus materialwissenschaftlicher Sicht vielversprechende Eigenschaften von Biofilmen. Dennoch werden Biofilme im Alltag häufig negativ assoziiert und mit Infektionskrankheiten in Verbindung gebracht. Wir streben mit dieser Arbeit einen Paradigmenwechsel an, indem wir Biofilme zur gezielten Herstellung von technischen Materialien nutzen. Wir strukturieren diese Biofilme auf mikroskopischer Ebene als Emulsionen oder Schäume und anschliessend auf makroskopischer Ebene durch 3D-Druck-Verfahren. Diese neuartigen Materialien werden aufgrund ihrer vielfältigen Zusammensetzungen und Strukturen im Bereich der Biotechnologie, Medizin und Materialentwicklung Anwendung finden.
Lay summary
nhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Unser übergeordnetes Ziel ist es, die Biofilmbildung zur Herstellung von funktionalen und biologisch basierten Materialen zu nutzen. Für dieses Ziel werden Bakterien durch moderne Strukturierungsmethoden in verschiedenen Materialen immobilisiert.

Im Detail werden wir (i) Biofilmschäume für biomedizinische Anwendungen, (ii) biotechnologisch relevante Emulsionen und (iii) Catechol-basierte Hydrogele mit funktionaler bakterieller Zellulose herstellen. Ausserdem besteht das Ziel darin, (iv) Bakterien im 3D-Druck-Verfahren zu verarbeiten, um die neugewonnene geometrische Vielfalt und insbesondere die Steuerbarkeit der effektiven Oberflächengrösse im Sinne biotechnologischer Prozessoptimierung ausnutzen zu können.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Unsere Arbeit wird neuartige Materialien und Strukturierungmöglichkeiten generieren, die durch ihre Multifunktionalität eine neue Produktklasse eröffnen. Durch die Herstellung dieser lebendigen und in 3D strukturierten Materialien können biotechnologische Prozesse auf ungekannte Weise optimiert werden.

Darüber hinaus ist unser Ziel, einen signifikanten Beitrag zum Umdenken in Gesellschaft in Bezug auf Bakterien zu leisten. Die konstruktive Nutzung von Bakterien für Gesundheit, Umwelt und Technik wird zukünftig immer weiter an Einfluss gewinnen.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Bacteria are able to degrade pollutants, synthesize vitamins, form cellulose, and perform photosynthesis due to their diverse metabolism. The ability of bacteria to produce such a vast array of chemical compounds is exploited and optimized in biotechnological approaches for applications in food and medicine. To increase the production yield, bacteria are selected for their specific metabolism and immobilized in materials, but are seldom selected due to their natural ability to create materials themselves, biofilms. However, several bacteria are able to form mechanically strong and useful biofilms, for example in our gastro intestinal tract. Additionally, the material where bacteria are immobilized are not functionalized to their mechanical properties and rarely meet the requirements of the application field. By contrast, engineered materials have ‘personalized’ mechanical structure and strength directly related to their application field, however lack the added functionality of biological materials such as self-healing, adaptability, and remodeling properties.In this proposal, the ability of bacteria to form biofilms is used to create substructures inside of materials. For this aim, bacteria are immobilized and 3D printed, exploiting their metabolism to create living materials with added functionality such as structure formation and bioremediation. With this approach, biotechnological applications will be improved and a new class of biodegradable and multifunctional materials will be created.
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