一、[导读]

 

生物活性物质,如动物骨骼和植物茎,能够在环境压力下自我修复、再生、适应和决策。尽管研究人员最近成功地尝试将合成材料注入其中一些显著的功能,但在生物学中发现的复杂适应系统的许多新特性在工程生物材料中仍未被探索。

 

二、[成果掠影]

 

近日,苏黎世联邦理工大学的André R. Studart教授Kunal Masania教授团队设计了一种利用真菌菌丝的新兴特性来创造活的复合材料,从而实现自我修复,再生和环境适应,同时充分发挥材料的功能服务于特定的工程目的。装载真菌的水凝胶被3D打印成晶格结构,使菌丝生长在平衡的探索和利用模式中,同时促进凝胶的定殖和空气间隙的桥接。最后,为了说明这种基于菌丝体的活体复杂材料的潜力,本工作3D打印了一个机械坚固、自清洁和损伤后能够自主再生的机器人皮肤。相关论文以题为:“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”发表在Nature Materials上。

 

三、[核心创新点]

  • 本工作创新性地将微生物的独特活性与3D打印技术相结合,成功设计出一种能实现自我修复,再生和环境适应的复合材料
  • 本工作利用真菌菌丝的新兴特性来创造活的复合材料,复合材料的机械性能来自于一个强纤维性菌丝网络。
  • 为了说明这种以菌丝为基础的生物复杂材料的潜力,本工作通过3D打印制作了一种坚固并且可以实现自我清洁,能够在损伤后自动再生的机器人皮肤。

 

四、 [数据概览]

  • 水凝胶的打印

 

本工作利用接种菌丝体的水凝胶对活体复合材料进行3D打印。工作流程包括将含有麦芽提取物和流变改性剂的琼脂基水凝胶混合以获得颗粒状墨水,然后将真菌沉积在这些颗粒状墨水的顶部,最后去除真菌顶层,通过直接墨水书写创建用于3D打印的菌丝体喂料(图1a)。将原料墨打印成机械稳定的网格状结构,提供开放的空间和菌丝生长所需的营养物质。在这些结构中,机械坚固性产生于具有与最终应用相关形状的强纤维菌丝网络的形成。菌丝细胞的活性和自我再生受损部位的能力来自于菌丝细胞的代谢活动,这些细胞在自然界中已经进化到在多孔结构的孔隙中生长。这种基于真菌的复杂材料的最终功能是通过从单个菌丝细胞到菌丝网络和形成设计宏观几何形状的网格状结构实现。

图1 通过3D打印菌丝水凝胶制作的活性复杂材料和物体 © 2023 Springer Nature Limited

 

  • 真菌的生长

 

为了创建基于菌丝的、活的、复杂的材料,本工作首先确定了制备可打印的菌丝水凝胶所需的条件,以及在网格状结构中预期的间隙之间的真菌生长所需的条件。通过研究沉积在琼脂基水凝胶基底上的真菌的生长行为,评估了导致高菌丝浓度水凝胶墨水的加工条件。为此,在基质表面放置一块长方形的真菌接种体,在23°C、相对湿度95%的条件下生长。在不同初始浓度麦芽提取物的水凝胶上沉积五天后,通过测量真菌的径向和厚度扩展来量化生长。结果表明,菌丝生长受底物中麦芽提取物浓度的强烈影响(图2b)。低浓度有利于真菌的径向扩展,表面菌丝层厚度生长有限。沉积在含有这些高麦芽提取物含量的水凝胶上的真菌倾向于在凝胶上生长较厚的层,而不是径向扩张。由于平衡的探索-利用策略,在此最佳营养浓度下培养的菌丝体不仅在水凝胶内部局部生长,而且能够以0.20-0.35 mm day-1 (图2c、d)的平均生长速度弥合高达2.5 mm的空气间隙。本工作的流变学表征表明,在低剪切应变下的黏弹性性质由基础水凝胶的成分主导,而菌丝网络起到了机械强化作用,只有在较高的形变下才被激活。重要的是,菌丝墨水的储能模量和屈服应力足以最小化由毛细管力或重力引起的丝状物下垂和扭曲。

图2 负载菌丝水凝胶的真菌生长行为和流变学 © 2023 Springer Nature Limited

 

  • 菌丝体活性材料的生长和力学性能

 

本工作使用打印机将具有最佳流变性能的载菌墨水3D打印成稳定的网格状结构。采用不同的油墨配方和可编程打印路径制备了具有不同丝间距、直径和麦芽提取物浓度的网格。这些印刷网格的孵育时间长达20 天,允许在水凝胶细丝之间的菌丝有效生长,从而导致机械坚固的生命结构。菌丝体随时间的生长情况通过测定在水中研磨并广泛清洗网格后剩余的干生物量的相对量来量化。结果表明,在培养的前10天内,菌丝体的干重最初为零,并呈线性增长,约为4-5 wt%,之后生物量的数量趋于稳定(图3c)。这种行为表明,在这些实验中使用的麦芽浓度10%足以在前10天诱导稳定的菌丝生长,但在这个时间窗之后,营养物质最终从培养基中耗尽。

本工作通过对孵育不同时间段的试件进行压缩实验来量化网格的刚度(图3)。从这些测量得到的典型应力-应变曲线揭示了随着施加应变的增加网格的连续硬化。将应力-应变数据的斜率作为材料的瞬时弹性模量(图3d),本工作发现网格在单轴压缩时经历了连续的刚化过程。原位成像表明,沿样品高度方向的相邻细丝在第一次刚化过程中仍然被菌丝体分开,但在第二次刚化事件发生时最终被推挤到另一个位置。随着压缩和致密化的进行,网格继续急剧硬化,直到最终断裂。网格的刚度和产生的干生物量之间的直接相关性也有助于解释麦芽提取物浓度和线间隙对网格弹性模量(图3g,h)的影响。对于不同麦芽浓度制备的网格,本工作发现营养物质过量并不一定导致网格内生物量浓度较高。这一发现可能与高糖含量降低了水分活度有关,而水分活度被证明会降低丝状真菌的生长。

图3  麦芽浓度为10%的菌丝体基活性材料的生长和机械刚度© 2023 Springer Nature Limited

 

  • 真菌基三维材料的再生行为及可再生机械皮肤的应用研究

 

菌丝网络的代谢活性赋予了本工作的3D打印物体显著的活体和自我再生性能。本工作首先通过在模型实验中研究微生物跨越物理分离表面和空气间隙的生长行为来说明这些性质。为了深入了解本工作材料的活性,在激光扫描共聚焦显微镜(图4b)中,随着时间的推移,生长在两个含真菌的水凝胶丝之间的菌丝网络被成像。在打印丝之间的空气间隙中形成的菌丝体的共聚焦图像显示,在实验条件下,微生物在生长过程中形成了类似分形的网络。菌丝生长使得相应的真菌基材料具备更佳的机械性能,与最初的水凝胶基网格相比,菌丝的生长能够提高抗撕裂能力、拉伸强度和压缩强度。经过初始生长阶段后,愈合材料仍然保持较高的弹性模量,但在较低的应力下失效。本工作发现,除了对给定物体的损伤部位进行自修复外,菌丝体还能够跨越彼此相邻的不同物体之间的空气间隙生长,这使得通过简单地连接单独制造的单个部件,可以创建复杂形状的结构(图4f)。

菌丝基水凝胶的活性和可打印性为创建具有定制设计和前所未有的适应性行为的功能结构提供了可能性。作为示例,本工作以自再生功能皮肤的形式3D打印了基于菌丝的活体材料,用于机器人抓手和球形机器人(图4g-i)。生长后,皮肤足够坚固,以保持其机械完整性和生命的性质。此外,菌丝网络的疏水性防止了皮肤被水润湿,为球形机器人提供了防水的自洁能力。由于活体皮肤的自我再生需要营养物质,因此打印与嵌入式营养源相连的血管化结构是一种可能的策略,有待进一步探索。

图4 菌丝体基生物材料的活性、自修复及应用© 2023 Springer Nature Limited

 

五、[成果启示]

 

综上所述,本工作将微生物的活性与3D打印技术的成型能力相结合,是创造具有无与伦比的复杂适应性功能生物材料的有效途径。使用这种策略,负载感兴趣的微生物的水凝胶可以被塑造成满足功能性设计的结构,并为生物物种的生长提供足够的环境。所形成的结构的生命特性来自嵌入在水凝胶中的生物体的代谢活动。这种新陈代谢活动赋予了以菌丝为基础的生命物质以复杂适应系统的几个特征,包括使生长和再生成为可能的耗散自组织过程、跨越多个长度尺度的构建块的分级组织、无标度分形网络的最优传输特性以及信息处理细胞的分散协作行动所产生的决策能力。具有这种通过3D打印构建的复杂适应性特性的真菌水凝胶策略为设计制作功能性的生物材料提供了新的见解

 

第一作者:Silvan Gantenbein

通讯作者:André R. Studart、Kunal Masania

通讯单位:苏黎世联邦理工大学

论文doi:

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01429-5

本文由温华供稿。