自我修复的“活材料”被用作3D建筑模块

 诸平

Researchers saw excellent repair that was structurally stable and restored the consistency and appearance of the material. Credit: Imperial College London

据英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）网站2021年8月20日提供的消息，伦敦帝国理工学院的研究人员发明了一种3D模块，可以在受到损伤时自我修复（Self-healing 'living materials' used as 3D building blocks）。这种工程化的活材料(engineered living materials简称ELMs)利用生物学的能力来治疗和补充材料，并可以通过感觉和反应系统对恶劣环境中的损伤做出反应。这项研究成果于2021年8月19日已经在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表——Joaquin Caro-Astorga et al, Bacterial cellulose spheroids as building blocks for 3D and patterned living materials and for regeneration. Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25350-8

此项研究成果可能会催生出一种现实世界的材料，这种材料可以检测并修复自身的损伤，比如修复挡风玻璃上的裂缝、飞机机身上的裂缝或道路上的坑洞。通过将建筑模块集成到自我修复建筑材料（self-healing building materials）中，科学家可以减少所需的维护工作量，并延长材料的使用寿命及用途。

该研究的通讯作者、伦敦帝国理工大学生物工程系的汤姆·埃利斯教授（Professor Tom Ellis）说:“在过去，我们已经创造出了带有内置传感器的活材料，这些传感器可以检测环境线索和变化。现在，我们已经创造出了能够检测损伤并通过自我修复做出反应的活材料。”

与建筑使用可以组装成各种建筑结构的模块化部件一样，这项研究表明，同样的原理也可以应用于细菌纤维素基材料（bacterial cellulose-based materials）的设计和建造。

为了制造工程化活材料（ELMs），研究人员对一种名为Komagataeibacter rhaeticus的细菌进行了基因工程改造，使其产生荧光3D球形细胞培养物（fluorescent 3D sphere-shaped cell cultures），称为球状体（spheroids），并给它们配备了检测损伤的传感器。他们将此球状体排列成不同的形状和图案（ different shapes and patterns），展示了球体作为模块化建筑模块（modular building blocks）的潜力。下图就是由伦敦帝国理工学院提供的由球体制成的图案和3D形状。

Patterns and 3D shapes made from the spheroids. Credit: Imperial College London

他们用打孔器破坏细菌纤维素的一层厚层，这种类似支架的材料由一些细菌制成，ELMs在其上产生。然后，他们将新生长的球体插入洞中，在培育了三天之后，看到了良好的修复，结构稳定，恢复了材料的一致性和外观。

汤姆·埃利斯教授说，“通过将球体放入受损区域并培育培养物，这些基块既能感知损伤，又能再生材料来修复它。”

伦敦帝国理工学院生物工程系的第一作者Joaquin Caro-Astorga博士说，他们的“发现开启了一种新的方法，在这种方法中，生长的材料可以作为具有不同功能的模块，比如建筑。”

目前，我们正在研究在球体内容纳其他生物体（other living organisms），这些生物体可以与生产纤维素的细菌一起共生。

“由此可能产生的生物材料是多种多样的:例如，酵母细胞可以分泌与医学相关的蛋白质，我们可以生成伤口愈合膜，通过绷带产生激素和酶来改善皮肤修复。”

细菌纤维素因其优异的性能而受到越来越多的欢迎，这是对寻找具有更好功能行为的新材料的全球挑战的回应。美国伦敦全球海军研究办公室（US Office of Naval Research Global London）的科学主任帕特里克·罗斯博士（Dr. Patrick Rose）是这项研究的部分资助人，他说:“挑战在于模仿和结合生物学所提供的独特特征。我们不仅试图模拟这些系统，还设计生物学，使其具有更符合我们寻求的需求的额外功能，而无需直接干预。最终，我们想要增加产品的寿命，在问题肉眼可见之前防止系统故障，并让材料自己思考。

这组研究人员的下一步是开发具有不同属性的新型球形建筑模块，比如将它们与棉花、石墨和明胶等材料结合，创造出更复杂的设计。这可能会带来新的应用，如生物过滤器（biological filters）、可植入电子设备（implantable electronics）或医疗生物传感器贴片（medical biosensor patches）。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Engineered living materials (ELMs) based on bacterial cellulose (BC) offer a promising avenue for cheap-to-produce materials that can be programmed with genetically encoded functionalities. Here we explore how ELMs can be fabricated in a modular fashion from millimetre-scale biofilm spheroids grown from shaking cultures of Komagataeibacter rhaeticus. Here we define a reproducible protocol to produce BC spheroids with the high yield bacterial cellulose producer K. rhaeticus and demonstrate for the first time their potential for their use as building blocks to grow ELMs in 3D shapes. Using genetically engineered K. rhaeticus, we produce functionalized BC spheroids and use these to make and grow patterned BC-based ELMs that signal within a material and can sense and report on chemical inputs. We also investigate the use of BC spheroids as a method to regenerate damaged BC materials and as a way to fuse together smaller material sections of cellulose and synthetic materials into a larger piece. This work improves our understanding of BC spheroid formation and showcases their great potential for fabricating, patterning and repairing ELMs based on the promising biomaterial of bacterial cellulose.