Name: 使用定制的 3D 打印模具生产和分析巴 氏 孢子丝菌生物水泥砖，用于无侧限压缩试验 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-03-07T14:40:00.000+00:00
Duration: 5 min 38 s
Description: 了解利用Sporosarcina pasteurii和3D打印模具生产生物水泥砖的方法。该方案通过微生物诱导碳酸钙沉淀技术制备标准化圆柱形砖块，用于无侧限抗压强度测试，支持多变量平行实验。

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本材料基于美国空军学院和空军研究实验室在协议编号 FA7000-24-2-0005（MG）下资助的研究。尽管上述材料标注有版权，但美国政府有权为政府目的复制和分发其重印本。

所用试剂、设备和软件的详细信息见材料表。
1. 溶液与培养基的配制
<ol>
	<li>脑心浸液（BHI）-尿素培养基（1 L）
	<ol>
		<li>使用天平称取37 g BHI粉末，加入1 L锥形瓶或烧杯中。</li>
		<li>使用天平称取20 g尿素，加入同一含有BHI粉末的1 L锥形瓶或烧杯中。 
		注意：切勿对含尿素的材料进行高压灭菌或添加漂白剂。尿素会分解为氨气，作为挥发性气体可能有害，并可与漂白剂反应生成有毒的芥子气。所有废弃物应按照机构的安全规程作为危险废物处理。</li>
		<li>向含有BHI粉末和尿素的1 L锥形瓶或烧杯中加入1 L H2O。</li>
		<li>混合后使用0.45 µm滤膜过滤灭菌，收集至已灭菌的锥形瓶或烧杯中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>胶结溶液（1 L）
	<ol>
		<li>使用天平称取20 g尿素，加入1 L锥形瓶或烧杯中。</li>
		<li>使用天平称取10 g NH4Cl（氯化铵），加入同一含有尿素的1 L锥形瓶或烧杯中。 
		注意：切勿对含氯化铵的材料进行高压灭菌或添加漂白剂。氯化铵会与氨气形成平衡，作为挥发性气体可能有害，并可与漂白剂反应生成有毒的芥子气。所有废弃物应按照机构的安全规程作为危险废物处理。</li>
		<li>使用天平称取49 g CaCl4·2H2O（氯化钙）加入同一含有尿素和氯化铵的1 L锥形瓶或烧杯中。</li>
		<li>向含有尿素、氯化铵和氯化钙的1 L锥形瓶或烧杯中加入1 L H2O。 
		注：该溶液不进行灭菌；需新鲜配制，并在48小时内使用。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>砖块打印与制备（在MICP处理前数天进行）
	<ol>
		<li>将砖模的STL文件（补充文件1）和夯压装置的STL文件（补充文件2）载入适用于3D打印机的相应程序中。 
		注：不同3D打印机所使用的具体程序可能不同，请使用与您所用打印机匹配的程序。</li>
		<li>打印模具和夯压装置（图1）。</li>
		<li>根据打印机要求对模具进行后处理。</li>
		<li>将一块磁铁放入模具中相应的磁铁槽内，确保磁极方向使模具的两半相互吸引而非排斥。</li>
		<li>磁铁正确放置后，用环氧树脂密封每个磁铁。</li>
		<li>选取两个直径为1.5英寸的金属丝网圆片，备用。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 砖块制备（第0天）
注意：此处提供一个砖块制备的详细步骤。
<ol>
	<li>将150 mL BHI-脲培养基过滤除菌。对250 mL锥形瓶进行高压灭菌。</li>
	<li>配制250 mL矿化溶液；不要将其放入已高压灭菌的250 mL锥形瓶中。</li>
	<li>在含有BHI脲琼脂的培养皿上制备 S. pasteurii 分离划线培养物，并于30°C培养24–48小时（使用冻存甘油菌种中的 S. pasteurii）。</li>
	<li>S. pasteurii 起始培养（第1天）
	<ol>
		<li>向一支培养管中加入1.6 mL BHI-脲培养基，制备1.6 mL起始培养液。</li>
		<li>从第0天的划线平板上挑取单菌落接种至培养管中。</li>
		<li>将起始培养物置于摇床中（150 rpm），在30°C下过夜培养。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>菌体培养（第2天）
	<ol>
		<li>检查起始培养物是否生长（表现为浊度增加）。</li>
		<li>向250 mL已灭菌的锥形瓶中加入40 mL BHI-脲培养基。将1.6 mL起始培养液倒入锥形瓶中，在30°C下振荡培养7小时。</li>
		<li>向锥形瓶中再加入40 mL BHI-脲培养基。将锥形瓶置于20°C摇床中过夜（约16小时）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用 S. pasteurii 处理砖块（第3天）
	<ol>
		<li>向过夜培养的菌液锥形瓶中再加入40 mL BHI-脲培养基，并继续在20°C下培养 S. pasteurii。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>制备砖模（第3天）（见 图2）。
	<ol>
		<li>将橡胶垫圈放置在模具相应位置。将模具两半连接，确保垫圈密封且所有磁铁均已吸合。</li>
		<li>在圆柱形砖模底部放置一圈细铁丝网，防止沙子从模具孔洞中漏出。</li>
		<li>将沙子或其他材料填充至模具内壁标线处，并用力压实。</li>
		<li>在沙子顶部再覆盖一圈铁丝网，完全覆盖整个上表面，并再次压实。</li>
		<li>将模具置于废液容器上方，以承接渗出液体。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>处理流程（第3天）
	<ol>
		<li>在沙子表面倾倒40 mL S. pasteurii 菌液，使其充分渗透。静置45分钟。</li>
		<li>在沙子表面倾倒80 mL矿化溶液。静置30分钟。</li>
		<li>在沙子表面倾倒40 mL S. pasteurii 菌液。静置30分钟。</li>
		<li>在沙子表面倾倒80 mL矿化溶液。静置30分钟。</li>
		<li>在沙子表面倾倒40 mL S. pasteurii 菌液。静置30分钟。</li>
		<li>在沙子表面倾倒80 mL矿化溶液。静置至少48小时，或直至沙子表面明显干燥。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>检查最终产物（第5天）。
	<ol>
		<li>小心打开模具，将模具从中间分开，释放磁铁压力，轻柔地将砖块从模具中取出。 
		注：若沙子仍显潮湿，则需再干燥一至两天后再取出砖块（砖块越干燥，越容易取出）。</li>
		<li>将砖块置于纸巾上，继续干燥3周后再进行抗压强度测试。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>模具清洗（第5天）
	<ol>
		<li>取出砖块后，将垫圈和铁丝网从模具的每一半中分离。</li>
		<li>将铁丝网浸泡于70%乙醇溶液中24小时，随后用水冲洗。必要时可轻微刷洗以清洁网面。</li>
		<li>用70%乙醇冲洗模具，并使用软毛刷、海绵或其他清洁工具至少刷洗三次；然后用肥皂水清洗，再进行空气干燥。</li>
		<li>用70%乙醇冲洗垫圈，再用肥皂水清洗，随后进行空气干燥。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 压缩测试（第25天）
<ol>
	<li>使用无侧限抗压强度试验分析所有砖块的强度16.
	<ol>
		<li>确保砖块的圆形端面平整均匀。如果端面不平，可使用锉刀或其他工具将表面修整均匀。 
		注意：如果正确铺设了钢丝网，砖块的两端应基本平整。为确保强度测量准确，砖块两端尽可能平齐至关重要。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将一块砖放入拉链式或密封塑料袋中，并调整砖块在塑料袋中的位置，使砖块的平整面不被塑料袋的接缝覆盖&#160;实现平滑、平整的覆盖。</li>
	<li>将砖块放置在下部加载板上。在砖块顶部放置一块平整且均匀的加载板。</li>
	<li>施加约1磅的压力到砖块上 通过 无侧限抗压强度试验机</li>
	<li>将数字读数归零。</li>
	<li>根据仪器规格持续施加递增载荷，直至砖块发生完全结构破坏。</li>
	<li>记录每块砖的最大承重载荷。进行所需的统计分析以评估结果。</li>
</ol>

<ol><li>Xiao, Y., He, X., Zaman, M., Ma, G., Zhao, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+strength+improvements+of+biocemented+soils%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Geomech%22%5BJournal%5D)">Review of strength improvements of biocemented soils.</a> Int J Geomech. 22 (11), 03122001(2022).</li>
<li>Hottle, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmental+life-cycle+assessment+of+concrete+produced+in+the+United+States%5BTitle%5D)+AND+%22J+Clean+Prod%22%5BJournal%5D)">Environmental life-cycle assessment of concrete produced in the United States.</a> J Clean Prod. 363, 131834(2022).</li>
<li>Miller, S. A., John, V. M., Pacca, S. A., Horvath, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+dioxide+reduction+potential+in+the+global+cement+industry+by+2050%5BTitle%5D)+AND+%22Cem+Concr+Res%22%5BJournal%5D)">Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050.</a> Cem Concr Res. 114, 115-124 (2018).</li>
<li>Cement Technology Roadmap: Carbon Emissions Reductions up to 2050. , IEA. Paris. 
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<li>THE 17 GOALS | Sustainable Development. , 
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<li>Lehne, J., Preston, F. Making Concrete Change: Innovation in low-carbon cement and concrete. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLehne%2C+J+%22Chatham+House%22">Chatham House</a>. , 
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<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial-induced+calcium+carbonate+precipitation%3A+Influencing+factors%2C+nucleation+pathways%2C+and+application+in+wastewater+remediation%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Total+Environ%22%5BJournal%5D)">Microbial-induced calcium carbonate precipitation: Influencing factors, nucleation pathways, and application in wastewater remediation.</a> Sci Total Environ. 860, 160439(2023).</li>
<li>Fu, T., Saracho, A. C., Haigh, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbially+induced+carbonate+precipitation+%28MICP%29+for+soil+strengthening%3A+A+comprehensive+review%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeotechnics%22%5BJournal%5D)">Microbially induced carbonate precipitation (MICP) for soil strengthening: A comprehensive review.</a> Biogeotechnics. 1 (1), 100002(2023).</li>
<li>Güneyli, H., Rüşen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+length-to-diameter+ratio+on+the+unconfined+compressive+strength+of+cohesive+soil+specimens%5BTitle%5D)+AND+%22Bull+Eng+Geol+Environ%22%5BJournal%5D)">Effect of length-to-diameter ratio on the unconfined compressive strength of cohesive soil specimens.</a> Bull Eng Geol Environ. 75, 793-806 (2016).</li>
<li>Gebresamuel, H. T., Melese, D. T., Boru, Y. T., Legese, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+specimens%27+height+to+diameter+ratio+on+unconfined+compressive+strength+of+cohesive+soil%5BTitle%5D)+AND+%22Stud+Geotech+Mech%22%5BJournal%5D)">Effect of specimens' height to diameter ratio on unconfined compressive strength of cohesive soil.</a> Stud Geotech Mech. 45 (2), 112-132 (2023).</li>
<li>Vigil, T. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-displayed+silicatein-%CE%B1+enzyme+in+bioengineered+E.+coli+enables+biocementation+and+silica+mineralization%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Syst+Biol%22%5BJournal%5D)">Surface-displayed silicatein-α enzyme in bioengineered E. coli enables biocementation and silica mineralization.</a> Front Syst Biol. 4, 1377188(2024).</li>
<li>Choi, S. -G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+geotechnical+engineering+properties+of+sands+treated+by+microbially+induced+calcium+carbonate+precipitation+%28MICP%29+and+biopolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Constr+Build+Mater%22%5BJournal%5D)">Review on geotechnical engineering properties of sands treated by microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) and biopolymers.</a> Constr Build Mater. 246, 118415(2020).</li>
<li>Heveran, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineered+ureolytic+microorganisms+can+tailor+the+morphology+and+nanomechanical+properties+of+microbial-precipitated+calcium+carbonate%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Engineered ureolytic microorganisms can tailor the morphology and nanomechanical properties of microbial-precipitated calcium carbonate.</a> Sci Rep. 9 (1), 14721(2019).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。本稿件已获准公开发布。PA编号：USAFA-DF-2024-777。本文表达的观点仅为作者立场，不一定代表美国政府、国防部或空军部的官方立场或政策。

关键步骤 
该生物水泥化方案利用 S. pasteurii 通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术制备生物胶结圆柱形砖块&#160;适用于无侧限抗压强度测试。无侧限抗压强度测试中最关键的因素之一是试样的形状和结构。应确保圆柱体试样顶部和底部平整，且试样高度尽可能接近3英寸；略高于3英寸优于略低于3英寸。由于砂/土在处理过程中会发生沉降，导致高度略有损失，因此建议在初始处理前将模具略微过量填充。在施加处理前，于砂/土顶部放置的金属丝网圈有助于均匀分布施加的溶液，并形成更平整的表面16彻底清洁模具、筛网和垫圈对于最大限度降低未来砖块交叉污染的风险至关重要。同时，清洁筛网或使用新筛网也非常重要，因为筛网会随着时间推移发生生物胶结或堵塞，若不及时清洁或更换，可能导致流速下降。13,17.
修改/故障排除
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混凝土是全球建筑项目的主要建筑材料1,2。一项研究发现，水泥是全球消耗量第二大的材料，仅次于水3。每年水泥产量接近41亿吨4,5。传统水泥的生产、加工和应用每年导致全球约8%的CO2排放6。由于传统水泥生产需求量高且对环境具有显著破坏性，开发一种新型的碳中和胶结方法已成为实现全球可持续发展目标的首要任务7,8,9,10。
生物水泥化是指利用微生物产生水泥、粘合剂或可用于形成固体表面或结构的物质的过程1,11。目前研究最为明确的生物水泥化过程是利用尿素分解细菌沉淀碳酸钙，使颗粒相互连接形成坚硬的水泥状材料12,13。
在考虑传统水泥的环保替代品时，该替代材料还必须满足水泥应有的强度要求。无侧限抗压强度试验是一种用于测定岩石、建筑材料或土样抗剪强度的分析方法14。为了有效进行抗剪试验，样品必须按照行业标准制备，包括直径与高度比为1:2以及圆柱形形状15。为此设计了一种定制的3D打印模具，以满足这些标准并提高MICP实验流程的效率。这些定制模具支持连续MICP处理液的流经式施加与排水。细菌培养液和矿化溶液可直接加入顶部储液区，随后流经模具，并通过模具底部带筛网的开口排出。模具可放置在烧杯或其他废液收集容器上方。模具沿垂直方向分为两半，便于固化砖块脱模。两半模具通过固定在框架上的八块磁铁连接，并用环氧树脂密封，以防止MICP溶液对磁铁造成损害。模具的两个半部分还设有嵌入式凹槽，用于安装橡胶密封垫圈，以增强密封性并防止泄漏。在圆柱形模具内壁设有一条刻度凹槽，用于指示砂土填充高度，确保制成的砖块高度为3英寸；该凹槽以上的空间则作为处理溶液施加时的储液区。组装时，在模具内部底部开口处覆盖一块金属丝网，可防止砂土从模具底部漏出。此外，在砂土表面放置另一块金属丝网，有助于均匀分布施加的溶液，并确保形成的砖块顶部平整，无尖锐棱边，从而避免影响无侧限抗压强度试验结果。
使用计算机辅助设计（CAD）软件设计了模具，并从CAD文件生成了STL文件（补充文件1和补充文件2）（补充文件3和补充文件4）。该STL文件被上传至3D打印机程序中并进行打印。模具打印完成后，使用水射流系统清除3D打印机产生的支撑材料，得到最终的3D打印结构。此外，还提供了用于打印夯压装置的文件，该装置可辅助在模具中压实砂土并形成平整的上表面。

<table><tbody><tr><td>3D打印机</td><td>Stratasys</td><td>Objet 30 V3</td><td>Objet30 Pro V3.0 桌面型3D打印机</td></tr><tr><td>3D打印机材料</td><td>Stratasys</td><td>OBJ-04066</td><td>Rigur RGD450 模型材料</td></tr><tr><td>3D打印机材料</td><td>Stratasys</td><td>OBJ-04020</td><td>Sup 705 支撑材料</td></tr><tr><td>氯化铵</td><td>Fisher Scientific</td><td>A661-500</td><td>其他品牌的氯化铵也可使用，生产厂家无关紧要</td></tr><tr><td>脑心浸液肉汤</td><td>Millipore</td><td>53286</td><td>其他品牌的脑心浸液肉汤也可使用，生产厂家无关紧要</td></tr><tr><td>二水氯化钙</td><td>VWR&amp;nbsp;</td><td>BDH9224</td><td>其他品牌的二水氯化钙也可使用，生产厂家无关紧要</td></tr><tr><td>粗砂</td><td>Ward&amp;rsquo;s</td><td>470016-902</td><td>特殊砂砾混合物与应力粘土</td></tr><tr><td>桌面水刀</td><td>Stratasys</td><td>OBJ-01400</td><td>用于3D打印件后处理的水刀系统</td></tr><tr><td>环氧树脂</td><td>Gorilla Glue</td><td>4200102</td><td>GORILLA 环氧胶：环氧树脂，0.8 fl oz，注射器装，透明，浓稠液体</td></tr><tr><td>细砂</td><td>Sandtastik</td><td>PLA25</td><td>&amp;nbsp;亮白色儿童用细砂</td></tr><tr><td>垫片材料</td><td>McMaster-Carr</td><td>8525T65</td><td>三元乙丙橡胶（EPDM），厚度1/16&amp;rdquo;</td></tr><tr><td>GrabCAD</td><td>Stratasys</td><td>GrabCAD</td><td>3D打印机软件</td></tr><tr><td>磁铁</td><td>K&amp;J Magnetics</td><td>D64-N52</td><td>钕铁硼N52级磁铁</td></tr><tr><td>SolidWorks 2021</td><td>Dassault Syst&amp;egrave;mes</td><td>SolidWorks 2021</td><td>CAD软件</td></tr><tr><td>&lt;em&gt;Sporosarcina pasteurii&lt;/em&gt;</td><td></td><td></td><td>菌株：ATCC 11859 / DSM 33</td></tr><tr><td>真空过滤杯 0.45&amp;micro;m</td><td>VWR</td><td>10040-450</td><td></td></tr><tr><td>钢丝网 1.5&amp;rdquo; 直径圆片</td><td>McMaster-Carr</td><td>2812T43</td><td>钢丝网材料</td></tr></tbody></table>

使用定制3d打印模具制备和分析用于无侧限抗压强度测试的 sporosarcina pasteurii 生物水泥砖块

Production and Analysis of Sporosarcina pasteurii Biocement Bricks Using Custom 3D-Printed Molds for Unconfined Compression Tests

水泥是一种关键的建筑材料，广泛应用于全球各类建筑结构中，从住宅地基到历史纪念碑和道路工程。它是一种在全球范围内至关重要且储量丰富的材料。然而，传统水泥生产是人为大气二氧化碳（CO2）排放的主要来源之一，导致温室气体排放和气候变化。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种生物过程，其中尿素芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）或其他细菌可生成强度与传统水泥相当的水泥材料，但生物水泥具有碳中和特性。这种通过MICP方法生产生物水泥的技术前景广阔，目前正受到多家企业、国家和研究团队的积极研究。本文所述方案采用定制设计、可重复使用的3D打印模具，对土壤或砂土进行渗流式MICP处理，制备出符合无侧限抗压强度测试标准要求的圆柱形砖块。这些独立自立、顶部带储液槽的模具便于对多个变量和重复样本进行并行测试。本方案详细阐述了尿素芽孢杆菌（S. pasteurii）介导的MICP反应过程，以及3D打印模具的制作、组装和使用方法，以生成生物水泥圆柱形砖块。

3D打印模具的构建过程如图1和图2所示。阳性结果应表现为从模具中取出后仍能保持形状的砖块，经过3周干燥后，呈现为结构完整、可轻易用手操作且接触时几乎无材料损失的固体。如果砖块未形成坚实结构，出现碎裂或在触碰或移动过程中发生明显材料损失，则可能在培养基或培养物制备过程中存在操作错误。阳性与阴性砖块结果的示例如图3所示。
如图4所示，模具用于同时测试两种不同的基质：粗砂和细砂。根据本文所述的S. pasteurii方案，制备了四块粗砂砖和四块细砂砖，并对其进行无侧限抗压强度测试。已有文献记录的使用S. pasteurii形成的生物水泥化土壤的无侧限抗压强度范围为48–12,400 kPa，具体数值取决于土壤或砂的类型以及S. pasteurii的脲酶活性17</...

Sporosarcina pasteurii 是一种尿素分解细菌，可将尿素分解为碳酸根和铵离子。碳酸根与钙离子结合形成碳酸钙，产生晶体结构，将周围颗粒固定在一起，从而生成生物水泥。本方案提供了一种便捷的方法，利用3D打印模具制备适用于抗压强度测试的生物水泥砖块。

使用定制3D打印模具制备和分析用于无侧限抗压强度测试的 Sporosarcina pasteurii 生物水泥砖块

水泥是一种关键的建筑材料，广泛应用于全球各类建筑结构中，从住宅地基到历史纪念碑和道路工程。它是一种……

该研究利用巴氏芽孢杆菌（S. pasteurii）研究微生物诱导的碳酸钙沉淀，以制备生物水泥砖。研究探讨了使用3D打印模具优化生物水泥制备及强度测试的有效性。目前，该实验耗时较长，从开始到结束大约需要五天，且一旦启动后没有理想的暂停时间点。本方案采用可重复使用的3D打印流动式MICP处理模具，可制备用于无侧限抗压强度测试的标准圆柱形砖块，同时便于对多个变量和重复样本进行并行测试。首先，对150毫升BHI尿素培养基进行过滤灭菌，并对250毫升锥形瓶进行高压灭菌。配制250毫升固结溶液。在培养管中加入 1.6 毫升 BHI 尿素培养基，并用零日划线平板上的一个菌落接种该培养基。将初始培养物置于 30 摄氏度、150 转/分钟的摇床中过夜培养。次日，观察初始培养物的生长情况，通过浊度增加来确认生长。现在，向250毫升已灭菌的锥形瓶中加入40毫升BHI尿素培养基。将1.6毫升的种子培养物倒入锥形瓶中，在30°C条件下于摇床中培养7小时。培养结束后，向锥形瓶中再加入40毫升BHI尿素培养基，然后将锥形瓶置于20°C摇床中过夜或培养16小时。现在，向过夜培养的锥形瓶中再加入 40 毫升 BHI 尿素培养基，并继续在 20 摄氏度下培养 Sporosarcina pasteurii。将橡胶垫圈放置在模具的相应位置上。将模具的两半连接起来，确保垫圈密封且所有磁铁均已连接。在圆柱形砖模底部添加一圈细金属丝网，以防止沙子从孔中漏出。现在，将沙子或其他材料填充至模具内标线处，并用力夯实。然后，在沙子顶部放置另一圈金属丝网，覆盖整个表面，并再次夯实。现在，将模具置于废液容器上方，以收集渗出液。在砂层上方倒入 40 毫升培养物，静置使其浸润 45 分钟。随后，在砂层上方倒入 80 毫升胶结溶液。30 分钟后，将 40 毫升培养液倒入沙子顶部，再等待 30 分钟。再次向沙子顶部倒入 80 毫升矿化溶液，然后 30 分钟后在顶部加入 40 毫升培养液。孵育半小时后，向沙子顶部倒入 80 毫升矿化溶液，并将砖块静置至少 48 小时，或直至沙子看起来干燥为止。第5天，将模具从中间分开，松开磁铁压力，取出砖块。然后将砖块置于纸巾上，继续干燥三周，之后进行抗压测试。进行抗压测试时，将砖块放置在无侧限抗压强度试验机的下部加载板上，并在砖块顶部放置一块平整的加载板。使用压缩试验机对砖块施加约一磅的压力，然后使用数字显示屏将压力测量值归零。最后，根据机器规格持续施加递增的载荷，直至砖块发生结构破坏。记录每块砖所能承受的最大载荷。3D打印的模具成功保持了砖块的形状，经过三周干燥后，砖块外观坚实，且在操作过程中材料损失极小。若砖块在触摸时出现碎裂或明显材料损失，则表明培养基或菌种制备过程中存在错误。模具用于测试粗砂和细砂两种基质，每种基质各制备四块砖。粗砂砖的平均最大荷载为95.125磅每平方英寸，而细砂砖承受的平均最大荷载为49.625磅每平方英寸。根据需要3D打印模具的能力使得多个变量可同时进行测试，从而减少了实验误差。

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科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

使用定制的 3D 打印模具生产和分析巴 氏 孢子丝菌生物水泥砖，用于无侧限压缩试验

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了解利用Sporosarcina pasteurii和3D打印模具生产生物水泥砖的方法。该方案通过微生物诱导碳酸钙沉淀技术制备标准化圆柱形砖块，用于无侧限抗压强度测试，支持多变量平行实验。

使用定制3D打印模具制备和分析用于无侧限抗压强度测试的 Sporosarcina pasteurii 生物水泥砖块

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