最新Nature Materials：菌絲體水凝膠3D打印成活性復(fù)合材料

來源：材料人

01【成果引言】

生物活性物質(zhì)，如動物骨骼和植物莖，能夠在環(huán)境壓力下自我修復(fù)、再生、適應(yīng)和決策。盡管研究人員最近成功地嘗試將合成材料注入其中一些顯著的功能，但在生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的許多新特性在工程生物材料中仍未被探索。

02【成果掠影】

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的André R. Studart教授、Kunal Masania教授團隊設(shè)計了一種利用真菌菌絲的新興特性來創(chuàng)造活的復(fù)合材料，從而實現(xiàn)自我修復(fù)，再生和環(huán)境適應(yīng)，同時充分發(fā)揮材料的功能服務(wù)于特定的工程目的。裝載真菌的水凝膠被3D打印成晶格結(jié)構(gòu)，使菌絲生長在平衡的探索和利用模式中，同時促進(jìn)凝膠的定殖和空氣間隙的橋接。最后，為了說明這種基于菌絲體的活體復(fù)雜材料的潛力，本工作3D打印了一個機械堅固、自清潔和損傷后能夠自主再生的機器人皮膚。相關(guān)論文以題為：“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”發(fā)表在Nature Materials上。

03【核心創(chuàng)新點】

本工作創(chuàng)新性地將微生物的獨特活性與3D打印技術(shù)相結(jié)合，成功設(shè)計出一種能實現(xiàn)自我修復(fù)，再生和環(huán)境適應(yīng)的復(fù)合材料。

本工作利用真菌菌絲的新興特性來創(chuàng)造活的復(fù)合材料，復(fù)合材料的機械性能來自于一個強纖維性菌絲網(wǎng)絡(luò)。

為了說明這種以菌絲為基礎(chǔ)的生物復(fù)雜材料的潛力，本工作通過3D打印制作了一種堅固并且可以實現(xiàn)自我清潔，能夠在損傷后自動再生的機器人皮膚。

04【數(shù)據(jù)概況】

• 活性水凝膠的打印
  

本工作利用接種菌絲體的水凝膠對活體復(fù)合材料進(jìn)行3D打印。工作流程包括將含有麥芽提取物和流變改性劑的瓊脂基水凝膠混合以獲得顆粒狀墨水，然后將真菌沉積在這些顆粒狀墨水的頂部，最后去除真菌頂層，通過直接墨水書寫創(chuàng)建用于3D打印的菌絲體喂料(圖1a)。將原料墨打印成機械穩(wěn)定的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，提供開放的空間和菌絲生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。在這些結(jié)構(gòu)中，機械堅固性產(chǎn)生于具有與最終應(yīng)用相關(guān)形狀的強纖維菌絲網(wǎng)絡(luò)的形成。菌絲細(xì)胞的活性和自我再生受損部位的能力來自于菌絲細(xì)胞的代謝活動，這些細(xì)胞在自然界中已經(jīng)進(jìn)化到在多孔結(jié)構(gòu)的孔隙中生長。這種基于真菌的復(fù)雜材料的最終功能是通過從單個菌絲細(xì)胞到菌絲網(wǎng)絡(luò)和形成設(shè)計宏觀幾何形狀的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

圖1 通過3D打印菌絲水凝膠制作的活性復(fù)雜材料和物體 © 2023 Springer Nature Limited

• 真菌的生長
  

為了創(chuàng)建基于菌絲的、活的、復(fù)雜的材料，本工作首先確定了制備可打印的菌絲水凝膠所需的條件，以及在網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)中預(yù)期的間隙之間的真菌生長所需的條件。通過研究沉積在瓊脂基水凝膠基底上的真菌的生長行為，評估了導(dǎo)致高菌絲濃度水凝膠墨水的加工條件。為此，在基質(zhì)表面放置一塊長方形的真菌接種體，在23°C、相對濕度95%的條件下生長。在不同初始濃度麥芽提取物的水凝膠上沉積五天后，通過測量真菌的徑向和厚度擴展來量化生長。結(jié)果表明，菌絲生長受底物中麥芽提取物濃度的強烈影響(圖2b)。低濃度有利于真菌的徑向擴展，表面菌絲層厚度生長有限。沉積在含有這些高麥芽提取物含量的水凝膠上的真菌傾向于在凝膠上生長較厚的層，而不是徑向擴張。由于平衡的探索-利用策略，在此最佳營養(yǎng)濃度下培養(yǎng)的菌絲體不僅在水凝膠內(nèi)部局部生長，而且能夠以0.20-0.35 mm day-1 (圖2c、d)的平均生長速度彌合高達(dá)2.5 mm的空氣間隙。本工作的流變學(xué)表征表明，在低剪切應(yīng)變下的黏彈性性質(zhì)由基礎(chǔ)水凝膠的成分主導(dǎo)，而菌絲網(wǎng)絡(luò)起到了機械強化作用，只有在較高的形變下才被激活。重要的是，菌絲墨水的儲能模量和屈服應(yīng)力足以最小化由毛細(xì)管力或重力引起的絲狀物下垂和扭曲。

圖2 負(fù)載菌絲水凝膠的真菌生長行為和流變學(xué) © 2023 Springer Nature Limited

• 菌絲體活性材料的生長和力學(xué)性能
  

本工作使用打印機將具有最佳流變性能的載菌墨水3D打印成穩(wěn)定的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。采用不同的油墨配方和可編程打印路徑制備了具有不同絲間距、直徑和麥芽提取物濃度的網(wǎng)格。這些印刷網(wǎng)格的孵育時間長達(dá)20 天，允許在水凝膠細(xì)絲之間的菌絲有效生長，從而導(dǎo)致機械堅固的生命結(jié)構(gòu)。菌絲體隨時間的生長情況通過測定在水中研磨并廣泛清洗網(wǎng)格后剩余的干生物量的相對量來量化。結(jié)果表明，在培養(yǎng)的前10天內(nèi)，菌絲體的干重最初為零，并呈線性增長，約為4-5 wt%，之后生物量的數(shù)量趨于穩(wěn)定(圖3c)。這種行為表明，在這些實驗中使用的麥芽濃度10%足以在前10天誘導(dǎo)穩(wěn)定的菌絲生長，但在這個時間窗之后，營養(yǎng)物質(zhì)最終從培養(yǎng)基中耗盡。

本工作通過對孵育不同時間段的試件進(jìn)行壓縮實驗來量化網(wǎng)格的剛度(圖3)。從這些測量得到的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線揭示了隨著施加應(yīng)變的增加網(wǎng)格的連續(xù)硬化。將應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的斜率作為材料的瞬時彈性模量(圖3d)，本工作發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格在單軸壓縮時經(jīng)歷了連續(xù)的剛化過程。原位成像表明，沿樣品高度方向的相鄰細(xì)絲在第一次剛化過程中仍然被菌絲體分開，但在第二次剛化事件發(fā)生時最終被推擠到另一個位置。隨著壓縮和致密化的進(jìn)行，網(wǎng)格繼續(xù)急劇硬化，直到最終斷裂。網(wǎng)格的剛度和產(chǎn)生的干生物量之間的直接相關(guān)性也有助于解釋麥芽提取物濃度和線間隙對網(wǎng)格彈性模量(圖3g,h)的影響。對于不同麥芽濃度制備的網(wǎng)格，本工作發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)過量并不一定導(dǎo)致網(wǎng)格內(nèi)生物量濃度較高。這一發(fā)現(xiàn)可能與高糖含量降低了水分活度有關(guān)，而水分活度被證明會降低絲狀真菌的生長。

圖3  麥芽濃度為10%的菌絲體基活性材料的生長和機械剛度© 2023 Springer Nature Limited

• 真菌基三維材料的再生行為及可再生機械皮膚的應(yīng)用研究
  

菌絲網(wǎng)絡(luò)的代謝活性賦予了本工作的3D打印物體顯著的活體和自我再生性能。本工作首先通過在模型實驗中研究微生物跨越物理分離表面和空氣間隙的生長行為來說明這些性質(zhì)。為了深入了解本工作材料的活性，在激光掃描共聚焦顯微鏡(圖4b)中，隨著時間的推移，生長在兩個含真菌的水凝膠絲之間的菌絲網(wǎng)絡(luò)被成像。在打印絲之間的空氣間隙中形成的菌絲體的共聚焦圖像顯示，在實驗條件下，微生物在生長過程中形成了類似分形的網(wǎng)絡(luò)。菌絲生長使得相應(yīng)的真菌基材料具備更佳的機械性能，與最初的水凝膠基網(wǎng)格相比，菌絲的生長能夠提高抗撕裂能力、拉伸強度和壓縮強度。經(jīng)過初始生長階段后，愈合材料仍然保持較高的彈性模量，但在較低的應(yīng)力下失效。本工作發(fā)現(xiàn)，除了對給定物體的損傷部位進(jìn)行自修復(fù)外，菌絲體還能夠跨越彼此相鄰的不同物體之間的空氣間隙生長，這使得通過簡單地連接單獨制造的單個部件，可以創(chuàng)建復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)(圖4f)。

菌絲基水凝膠的活性和可打印性為創(chuàng)建具有定制設(shè)計和前所未有的適應(yīng)性行為的功能結(jié)構(gòu)提供了可能性。作為示例，本工作以自再生功能皮膚的形式3D打印了基于菌絲的活體材料，用于機器人抓手和球形機器人(圖4g-i)。生長后，皮膚足夠堅固，以保持其機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濕，為球形機器人提供了防水的自潔能力。由于活體皮膚的自我再生需要營養(yǎng)物質(zhì)，因此打印與嵌入式營養(yǎng)源相連的血管化結(jié)構(gòu)是一種可能的策略，有待進(jìn)一步探索。

圖4 菌絲體基生物材料的活性、自修復(fù)及應(yīng)用© 2023 Springer Nature Limited

05【成果啟示】

綜所述，本工作將微生物的活性與3D打印技術(shù)的成型能力相結(jié)合，是創(chuàng)造具有無與倫比的復(fù)雜適應(yīng)性功能生物材料的有效途徑。使用這種策略，負(fù)載感興趣的微生物的水凝膠可以被塑造成滿足功能性設(shè)計的結(jié)構(gòu)，并為生物物種的生長提供足夠的環(huán)境。所形成的結(jié)構(gòu)的生命特性來自嵌入在水凝膠中的生物體的代謝活動。這種新陳代謝活動賦予了以菌絲為基礎(chǔ)的生命物質(zhì)以復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的幾個特征，包括使生長和再生成為可能的耗散自組織過程、跨越多個長度尺度的構(gòu)建塊的分級組織、無標(biāo)度分形網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)傳輸特性以及信息處理細(xì)胞的分散協(xié)作行動所產(chǎn)生的決策能力。具有這種通過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)計制作功能性的生物材料提供了新的見解。

第一作者：Silvan Gantenbein
通訊作者：André R. Studart、Kunal Masania
通訊單位：蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)
論文doi：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01429-5