Nature materials | 代尔夫特理工大学：将菌丝体水凝胶3D打印成活性复合材料

研究背景

长期以来，生物一直被用来合成满足工程需要的材料，并且还制造了功能增强的材料。近年来，这一战略获得了新的发展。研究人员采用了几种方法来开发基于菌丝体的材料用于工程。然而，用于制造这些材料和产品的真菌最终在过程结束时会死亡或从结构中移除，因而不能从微生物独特的生活特性—适应性中获得效益。对此，代尔夫特理工大学的Kunal Masania团队将菌丝体网络的适应性行为与3D打印相结合，以创建基于菌丝体的活性复合材料，用于特定的工程目的。打印的开放式结构为菌丝体在宿主水凝胶外生长，以及功能性复合材料提供了3D环境。并有意识地控制可用的营养物质的数量，以使基于菌丝体的活物质能够找到菌丝体生长、自我再生和自主适应环境所需的物质。

相关研究成果以题为“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”发表在材料类国际顶尖学术期刊《Nature materials》(IF=49.937)上。

研究结果

本文研究将微生物的活动能力与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的功能性生物材料的有力途径。使用这种策略，可以将负载有微生物的水凝胶制成满足功能设计的结构，并为生物物种的生长提供适当的环境。具有这种复杂适应性特性的真菌水凝胶的3D打印，可以为多种应用创建基于菌丝体的功能性活性材料，并可能启发其他策略，为材料领域带来生命。

研究数据

图1. 以含有菌丝的水凝胶为原料，通过3D打印制作的活体复合材料和物体。a、 示意图显示了3D打印过程的不同步骤，从用接种的菌丝体制备墨水（左），到将菌丝体水凝胶直接将墨水写入网格结构（中），再到根据营养浓度通过方阵或游击策略生长真菌（右）。b、 所得菌丝体对象的层次结构，突出（从左到右）通过自组织过程的细胞级生长、形成菌丝体网络的菌丝细胞、印刷水凝胶细丝之间的菌丝体网络生长，根据与最终应用相关的形状，跨大气隙的自愈和再生过程以及复杂材料的宏观几何形状。

图2.负载菌丝的水凝胶的真菌生长行为和流变学。a、b，接种在含有不同浓度麦芽提取物的琼脂凝胶表面的菌丝体5天后，其半径和厚度（t）的增长。矩形样品由预先接种菌丝的琼脂水凝胶块组成。b中所示的数据表示从五个不同样本获得的平均值。c、d，通过接种的琼脂凝胶表面之间有意形成的气隙桥接菌丝体。菌丝体跨越规定长度的气隙所需的时间如图（d）所示。数据代表从五个不同样本获得的平均值。e、 负载菌丝体的水凝胶墨水的储存（G′）和损失（G〃）模量作为施加的振荡应变的函数。f、 富含菌丝体的水凝胶油墨的流动行为，突出了屈服应力，在屈服应力以下不会发生实质性变形。无菌丝体油墨的流变行为也显示在e和f中以供比较。误差条表示每个数据点不同样本的五次测量的标准偏差。

图3.麦芽浓度为10%的菌丝体活性材料的生长和机械刚度。a，3D打印的菌丝体网格随生长时间增加的照片。b、 孵育两天和十天后网格的横截面，表明印刷的水凝胶细丝之间的菌丝体显著生长。c、 对于行距为2mm的网格，真菌产生的生物量随时间变化，喷嘴直径为0.84 mm（如a和b所示）。数据表示从五个不同样本中获得的平均值。d、 从机械压缩试验获得的代表性应力-应变曲线（黑线）和瞬时刚度的相关变化（红线）。插图显示了十字架的原位图像不同施加应变水平下的材料截面。e、 含有行距为2mm的网格的菌丝体的视刚度与生长时间的关系，喷嘴直径为0.84 mm（如a和b所示）。f、 a和b中所示网格的表观刚度和生物量浓度之间的相关性。g，h， 网格线之间印有不同间隙的含菌丝体网格的表观刚度和生物量含量 （g） 和含有不同麦芽提取物浓度的水凝胶 （h）。e-h中报告的表观刚度值对应于应变值为25%时的瞬时弹性模量。这些数据表示从每个数据点的不同样本的五次测量中获得的平均值和标准偏差。

图4.菌丝基活性材料的存活、自愈和应用。a、在两个水凝胶细丝之间生长的染色菌丝（绿色）的激光共聚焦显微镜图像打印1.2mm间隔。这些图像是一系列三个实验的代表。b、 图中所示图像的强度分布定量了两个丝状体之间生长的菌丝网络的空间分布的时间演变。荧光强度随距离的衰减用幂律拟合，以证明网络的无标度性质。c、 菌丝体穿过切口所覆盖的自愈距离，该切口被有意引入含不同麦芽提取物浓度制备的菌丝体膜中。插图中的图片显示了在两天、四天和六天的生长期后，含有10%麦芽提取物的薄膜。菌丝随时间愈合的距离也包含在具有选定麦芽提取物浓度的样本的插图中。数据表示从不同样品的五次测量中获得的平均值和标准偏差在每个数据点。d、 在以霉菌为基质的生物材料的生长过程中，经受多次断裂-愈合循环的样品的杨氏模量和极限强度。e、 为证明菌丝体基材料的自愈能力而进行的拉伸机械试验照片。f、 通过物理接触表面之间的菌丝生长，将3D打印部件连接到单个物体中。g、 h，打印在机器人夹具（g）和无约束滚动机器人（h）顶部的活皮肤。皮肤表面的水滴说明了基于菌丝体的生物材料的疏水性。i、 菌丝生长前后覆盖滚动机器人的皮肤快照。滚动机器人在不同表面上摩擦驱动运动后的照片显示了活体皮肤的机械鲁棒性。j、 快照显示了机器人夹持器和受活体皮肤保护的无约束滚动机器人之间的水下协作交互。

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01429-5

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