代尔夫特理工《CST》:工程活性复合材料——利用生物体生产未来可持续结构材料

自纤维增强复合材料问世以来，它们凭借无与伦比的质量比性能而广受认可。然而，在全球变暖和污染的背景下，人们越来越关注这些材料的环境影响。文章探讨了一种突破性的转变，即利用生物体来生产复合材料。生物复合材料不仅提供了可持续、碳捕获的替代方案，而且还提供了一种前所未有的控制形状和各向异性的能力。生物学领域的最新进展，尤其是基因工程和测序技术，为生物体提供了前所未有的控制。这些突破与不断发展的增材制造技术相结合，使得从头开始构建工程化生物材料成为可能。在这里，我们将探讨推动工程化生物材料在结构应用中出现的关键因素，并深入研究可以利用生物体创造功能性材料的潜力，包括能量收集、结构形成、感知/适应、生长和重塑。将生物体融入其中可以彻底改变可再生物料和可持续复合材料的制造，释放之前无法实现的特性。

随着全球变暖和环境污染的加剧，对传统复合材料的环保问题日益关注。传统复合材料虽然具有优异的性能，但其生产过程能耗高、资源消耗大，且难以回收利用。自然界中生物材料具有资源可再生、环境友好、性能优异等特点，为复合材料的发展提供了新的思路。近年来，生物工程学、遗传测序技术和增材制造技术的进步为工程化生物复合材料的研究提供了强大的工具。然而，将生物材料应用于工程结构仍面临诸多挑战，例如：生物材料的微观结构和性能调控、生物材料的规模化生产、生物材料的长期稳定性和耐久性、社会对生物工程和微生物的接受度。

近日，国际知名期刊《Composites Science and Technology》发表了一篇由荷兰代尔夫特理工大学和荷兰瓦赫宁根大学的研究团队完成的有关工程化生物复合材料的研究成果。该研究探讨了利用生物体生产复合材料的可能性，并分析了生物体在能量获取、结构形成、感知与适应、生长和重塑等方面的能力，为工程化生物复合材料的设计和制造提供了新的思路。论文标题为“Engineered living composite materials”。

文章深入探讨了基因工程对生物领域的深远影响，以及它如何超越生物学领域，通过提供组装DNA片段成构建物的手段和将遗传构建物整合到目标生物基因组中的工具，来实现对有机体的功能工程。通过将不同生物体的蛋白质融合，可以创造出具有新功能的蛋白质，例如增强蜘蛛丝的强度和韧性。此外，CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)技术能够精确地改变生物体的遗传信息，并引入新的基因，从而实现从设计到蛋白质材料的直接转换。这些技术的结合为设计新型生物基复合材料提供了无限的可能性。

图1 展示现代基因工程技术如何创造新型结构材料。将编码蜘蛛丝多肽的蜘蛛棒毛滴虫基因与海洋微藻梭形柱藻的二氧化硅沉淀肽融合，产生融合蛋白。新型融合蛋白在大肠杆菌中产生。

人类基因组的测序曾是一项耗时十年的巨大工程，而现在可以在数小时或数天内完成。下一代测序技术可以快速、准确地分析生物体的遗传信息，为基因工程提供重要的数据支持。纳米孔测序技术允许通过纳米孔实时分析单个核苷酸通过时的电阻变化。这些技术的进步，得益于过去几十年计算能力的大幅提升，不仅使得处理大量遗传数据成为可能，还推动了从遗传序列预测蛋白质结构和功能的能力，特别是人工智能在预测蛋白质结构和功能方面的进步，为基因工程提供了前所未有的效率和时间尺度，从而在生物领域带来了革命性的变化。

直接墨水写入技术可以将活细胞嵌入到三维打印的聚合物水凝胶中，从而制造出复杂的生物基结构。为了确保墨水的生物相容性，需要在水凝胶的水相中溶解所需的营养物质，这些营养物质不仅允许墨水中的生物体生长，还会直接影响打印结构的机械性能。这种技术可以实现多种软物质墨水的打印，并能够处理多种生物材料，例如细菌和真菌。此外，拓扑优化技术可以帮助设计出结构最优的生物基复合材料，进一步提高其性能。

2. 利用大自然的技能制造生物材料

与需要极高能源投入和化石资源的传统材料生产过程不同，生物体可以直接从阳光、其他生物体或无机化合物中收集所需能量。文章详细讨论了三种主要的能量收集方式：自养（通过光合作用从阳光中获取能量）、异养（通过消耗其他生物体或其产物获取能量）和化能自养（通过氧化或还原环境中的化学物质获取能量）。文章还探讨了微生物电合成技术，这是一种利用微生物将二氧化碳转化为有用化学物质的过程，展示了如何将生物体的能量收集能力用于制造可持续和可再生的复合材料。

图 2 (A) 在植物中，葡萄糖缩合形成纤维素，这是植物的关键结构材料。(B) 菠菜叶中的叶绿体可用于交联，从而在紫外线照射下机械增强水凝胶结构。(C) 未交联和交联水凝胶的展示以及明显改善的凝胶刚度。(D-F) 用于机械测试及其对照实验的样品。(G) 4 小时光照和 4 小时黑暗后嵌入叶绿体的样品的杨氏模量、拉伸强度和断裂能（实验）、8 小时黑暗后嵌入叶绿体的样品（对照 1）以及 4 小时光照和 4 小时黑暗后不含叶绿体的样品（对照 2）。(H) 光梯度可用于连续改变材料的刚度。(I) 具有和不具有引导裂纹路径的样品的裂纹路径。 （J）损伤和修复状态下的三维实验螺旋桨结构。

文章讨论了如何通过工程活体复合材料（Engineered Living Materials;ELMs）来解决传统复合材料工程师面临的两个常见问题：如何创建层次优化的结构以及如何制造循环可持续的材料。以树木为例，该文章展示了其复杂的多级结构如何赋予其优异的机械性能。还探讨了如何通过添加剂制造技术，特别是3D打印，来复制自然界中的复杂结构，以及如何通过嵌入活细胞来形成真正的基于生物的结构。此外，文章还提到了如何利用植物细胞的培养和分化，以及如何通过遗传工程改善植物的机械性能，从而开发出具有高度可塑性和机械性能的新型生物材料。文章强调了通过模仿自然界中的结构形成过程，我们可以创造出具有改进性能和可持续性的新型工程材料。

文章阐述了生物体如何利用其感应环境并适应环境变化的能力，这一能力在工程领域具有巨大潜力。以植物的光合作用和生长方向变化为例，展示了生物体如何响应光信号进行生长调整。此外，文章还讨论了树木如何通过形成压缩木和张力木来适应机械压力，以及骨骼如何通过骨重塑过程来维持其完整性并适应机械压力。文章进一步探讨了如何利用生物体中的机械传感器细胞，以及通过基因编辑实现的微生物响应能力，来构建能够感知和适应外部刺激的复合材料。这部分内容展示了生物体的感应和适应能力如何启发工程师创造能够响应外部条件并自我调整的智能材料。

图 3 (A) 自然界形成木材作为结构材料的方法，具有厚次生细胞壁的木质部细胞构成组织，纤维的方向性决定了宏观尺度特性。(B) 自上而下的方法主要集中在致密木材和向木材中注入聚合物和树脂以提高机械性能，但成型自由度仍然有限。(C) 自下而上的方法侧重于破坏木材的微观结构并将其与聚合物或树脂结合；这可以实现更大的成型自由度，但机械性能有限。(D) 创造具有高成型自由度的木材的 ELM 方法是体外培养植物细胞，在凝胶状态下进行 3D 打印，并控制这些细胞生长和形态形成为木质部细胞。

关于生物体自我修复和再生的能力，这一能力使得生物材料在受损后能够恢复其结构和功能，与需要人工干预的传统工程材料形成鲜明对比。以植物的组织生长和动物的组织再生为例，展示了生物体如何通过细胞分裂、分化和组织重塑来实现自我修复。文章进一步讨论了如何利用生物体的生长和重塑能力来开发新型的工程活体复合材料，这些材料能够在损伤后自我修复，甚至在某些情况下，通过提供营养物质和适宜的生长环境，能够完全再生。此外，还介绍了如何利用微生物的趋化性、生物矿化能力和自组装特性，以及通过基因编辑实现的细胞自主性，来构建能够自我修复和形态变化的复合材料。这些复合材料具有广泛的应用潜力，例如自修复、自适应结构和生物制造。

图 4 具有自我修复能力的生物体以及受其启发而产生的 ELM。自我修复可以在多个层面上进行。Pena-Francesch 等人的研究展示了一种微生物产生的多肽，它由鱿鱼的 DNA 产生；这种材料可以在几秒钟内自我修复 。含有未固化树脂的微胶囊已被添加到纤维增强聚合物中，以复制人手割伤的自我修复。这些胶囊在形成裂缝时会破裂，通过化学反应有效地修复复合材料。在自然界中，真菌会生长并与自身重新连接以发出信号并运输营养物质。这一过程已被用于创建自我修复结构，只要营养物质持续存在，它就可以完全恢复其机械性能。自我修复行为最复杂的例子之一可以在两栖动物中找到，例如火蝾螈。两栖动物细胞已被移植成为自主的异种机器人，表现出运动、形态发生和自我修复行为。

该研究通过整合生物学、遗传工程和增材制造技术，为工程化生物复合材料的设计和制造提供了新的思路和方法。该研究有望推动复合材料的发展，为构建可持续的未来提供新的材料选择。