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

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。