蘇黎世聯(lián)邦理工：將菌絲體水凝膠3D打印成活體復(fù)合材料

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

細(xì)菌、真菌等微生物在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)處不在。特殊的細(xì)菌和真菌由于具有一些獨(dú)特的生物過(guò)程，自古以來(lái)就被應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活。近年來(lái)，這些微生物的獨(dú)特生物過(guò)程被進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用，將真菌作為組分合成了一系列具有獨(dú)特功能的生物基合成材料研究也逐漸增多，為這些合成材料的在某些領(lǐng)域上的應(yīng)用添加了無(wú)限可能。例如，生長(zhǎng)在農(nóng)業(yè)廢棄物上的真菌可以作為粘合劑或者制造可持續(xù)材料，這些生物材料可以被用于絕緣材料和包裝的環(huán)保板材，這一應(yīng)用已被商業(yè)化。某些細(xì)菌可以包埋在某些材料內(nèi)部，形成釋放抗生素的活性表面。某些具有一定結(jié)構(gòu)的真菌還可作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的支架和無(wú)機(jī)細(xì)絲材料的生物模板。而這些材料的獨(dú)特功能都受益于微生物獨(dú)特的適應(yīng)性生活特性。

在迄今為止開(kāi)發(fā)的不同微生物中，真菌菌絲具有獨(dú)特的生物生長(zhǎng)特性而被廣泛地研究。真菌菌絲是一個(gè)活的、復(fù)雜的、適應(yīng)性的系統(tǒng)，具有突發(fā)的集體特性。為了最佳地收集這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菌絲形成了由相互連接的細(xì)長(zhǎng)細(xì)胞組成的大網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)細(xì)胞被稱為菌絲。菌絲在局部吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并利用它們來(lái)推動(dòng)菌絲對(duì)周圍環(huán)境的探索或?qū)崿F(xiàn)子實(shí)體的形成，以便進(jìn)一步傳播。如果將真菌菌絲應(yīng)用于一些功能性合成材料，由于其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性生長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)材料的智能可再生過(guò)程。

近期，蘇黎世聯(lián)邦理工的André R. Studart教授團(tuán)隊(duì)和Kunal Masania教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種利用真菌菌絲的新興特性來(lái)創(chuàng)造活的復(fù)雜材料，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，再生和環(huán)境適應(yīng)，同時(shí)充分發(fā)揮材料的功能服務(wù)于特定的工程目的。該材料的制作主要采用3D打印的方法制作，將裝載真菌的水凝膠打印成晶格結(jié)構(gòu)，促進(jìn)菌絲在凝膠中的定植和實(shí)現(xiàn)間隙的橋接。為了說(shuō)明這種以菌絲為基礎(chǔ)的生物復(fù)雜材料的潛力，通過(guò)3D打印制作了一種機(jī)器人皮膚，這種材料堅(jiān)固，并且可以實(shí)現(xiàn)自我清潔，能夠在損傷后自動(dòng)再生。該工作以題為“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”的文章發(fā)表于Nature Materials上。

真菌基水凝膠的打印與真菌的生長(zhǎng)過(guò)程

這種基于真菌菌絲的復(fù)合材料主要采用的是含有麥芽提取物水凝膠，將真菌的沉積于該水凝膠內(nèi)部后，以這種含有真菌的水凝膠為3d打印的原料。原料被打印成機(jī)械穩(wěn)定的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，為菌絲生長(zhǎng)提供了生長(zhǎng)所需的開(kāi)放空間和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。打印物體在室溫和高相對(duì)濕度下孵育，允許菌絲在水凝膠間隙生長(zhǎng)，最終形成具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。在這些結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料的機(jī)械性能來(lái)自于一個(gè)強(qiáng)的纖維性菌絲網(wǎng)絡(luò)。菌絲細(xì)胞的活力和自我再生的能力來(lái)自于其代謝活動(dòng)，在多孔結(jié)構(gòu)的孔隙中生長(zhǎng)。這種基于真菌的復(fù)雜材料的最終功能是通過(guò)從單個(gè)菌絲細(xì)胞到菌絲網(wǎng)絡(luò)和形成設(shè)計(jì)宏觀幾何形狀的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)基于菌絲體的復(fù)雜材料，首先需要確定了制備的菌絲水凝膠和真菌在網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)所需的條件。通過(guò)測(cè)量真菌在具有不同初始濃度麥芽提取物的水凝膠上固定沉積5天后的徑向和厚度擴(kuò)張來(lái)定量生長(zhǎng)。結(jié)果表明，菌絲的生長(zhǎng)受到底物中麥芽提取物濃度的強(qiáng)烈影響。低濃度有利于真菌的徑向擴(kuò)張，而表面菌絲層的厚度生長(zhǎng)有限。在麥芽提取物含量為在麥芽提取物含量為2-4%麥芽提取物的凝膠上培養(yǎng)的真菌比在15-20%的凝膠上培養(yǎng)的真菌的徑向生長(zhǎng)量約高65%。沉積在含有這些高麥芽提取物含量的水凝膠上的真菌往往在凝膠上生長(zhǎng)更厚，而不是徑向膨脹。在中等麥芽提取物濃度為10%時(shí)，真菌的體積大約是麥芽含量的兩倍。以這種最佳營(yíng)養(yǎng)濃度培養(yǎng)的菌絲不僅在水凝膠中局部生長(zhǎng)，而且能夠以平均0.20-0.35mm/D的生長(zhǎng)速度彌補(bǔ)高達(dá)2.5 mm的間隙。

真菌基三維材料的性能及可再生機(jī)械皮膚的應(yīng)用研究

菌絲的干質(zhì)量最初為零，在孵育的前10天內(nèi)線性生長(zhǎng)到約4-5%的質(zhì)量，之后發(fā)現(xiàn)生物量趨于平穩(wěn)。這一行為表明，在這些實(shí)驗(yàn)中使用的10%的麥芽濃度足以誘導(dǎo)菌絲在前十天內(nèi)穩(wěn)定生長(zhǎng)，但在這個(gè)時(shí)間窗口后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最終從培養(yǎng)基中耗盡。菌絲生長(zhǎng)使得相應(yīng)的真菌基材料具備更佳的機(jī)械性能，與最初的水凝膠基網(wǎng)格相比，菌絲的生長(zhǎng)能夠提高抗撕裂能力、拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。從得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，隨著施加應(yīng)變的增加，網(wǎng)格不斷硬化。以應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的斜率作為材料的瞬時(shí)彈性模量，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格在單軸壓縮時(shí)經(jīng)歷了連續(xù)的硬化過(guò)程。

為了評(píng)估這種自愈合效果是否也能恢復(fù)菌絲材料的力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了連續(xù)拉伸斷裂-愈合前后的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。實(shí)驗(yàn)在菌絲網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)階段進(jìn)行。值得注意的是，只要菌絲網(wǎng)絡(luò)有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在斷裂表面生長(zhǎng)，斷裂的復(fù)雜材料就能夠自我愈合成更強(qiáng)、更堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)。斷裂表面形成的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度很高，足以將第二次斷裂部位轉(zhuǎn)移到樣品的另一個(gè)位置。將菌絲基材料以自我再生功能皮膚的形式，用于機(jī)器人抓手和球形機(jī)器人。生長(zhǎng)后，皮膚足夠堅(jiān)固，以保持其機(jī)械完整性和生命的性質(zhì)。此外，菌絲網(wǎng)絡(luò)的疏水性防止了皮膚被水潤(rùn)濕，為球形機(jī)器人提供了防水的自潔能力。

小結(jié)：該工作提出了將微生物的活性與3d打印技術(shù)的塑造能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了具有復(fù)雜適應(yīng)性特性的功能性生物材料。利用這種策略，裝載微生物的水凝膠可以被塑造成可以滿足特定應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為生物的生長(zhǎng)提供一個(gè)適宜的的環(huán)境。構(gòu)建的真菌水凝膠材料可以實(shí)現(xiàn)多種功能包括自修復(fù)和自清潔。具有這種通過(guò)3D打印構(gòu)建的復(fù)雜適應(yīng)性特性的真菌水凝膠策略為設(shè)計(jì)制作功能性的生物材料提供了新的見(jiàn)解。