科学家创造带“内置传感器”的生物材料 为可自我修复的建筑材料奠定基础

在生物材料研究的一个领域，我们看到相当多的活动涉及混凝土，研究表明细菌可以嵌入材料中，并通过发芽和产生石灰石或特殊胶水来填补裂缝来应对水的损害。另一项倡议甚至看到了"生物公寓"的建立，在那里，生物材料的样本将被换来换去，以观察它们的表现。

美国海军研究局伦敦办事处的帕特里克-罗斯博士说：“我们面临的挑战是模仿和结合生物学所能提供的独特功能，”该办事处帮助资助了这项新研究。“我们不仅试图模仿这些系统，而且要对生物进行工程设计，使其具有更多的特征，在不直接干预的情况下更适合我们所寻求的需求。最终，我们希望增加产品的使用寿命，在肉眼可见的问题出现之前预防系统的故障，并让材料自己‘思考’。”

这项新研究的作者着手开发工程生物材料（ELMs），它可以通过一个受生物启发的感知和响应系统来修复自己的损坏。这将建立在该小组早先在类似材料上的工作基础上，这些材料可以检测它们周围的变化，开发的版本可以发挥更积极的作用，并作为多用途的构件用于各种用途。

研究报告的作者汤姆-埃利斯教授说：“在过去，我们已经创造了带有内置传感器的生物材料，可以检测环境线索和变化。现在，我们已经创造了能够检测损害并通过自我愈合对其作出反应的生物材料。”

这是从名为Komagataeibacter rhaeticus的细菌开始的，这些细菌通过基因工程产生了形状像球体的荧光细胞培养物，被恰当地称为球状体。然后这些三维球状体可以像积木一样被排列成各种形状和图案，研究小组在一种叫做细菌纤维素的天然结构材料中对它们的自我修复能力进行了测试。

细菌纤维素是一种由一些细菌合成的类似支架的材料，在一些行业中具有广泛的潜力，可用于高强度的纸张、扬声器中的过滤器和医疗中的伤口敷料。科学家们在一层厚厚的细菌纤维素上打了孔，然后将他们的球状体植入空隙中。经过三天的培养，这些球状体修复了损伤，并恢复了原始材料的一致性和外观。

埃利斯说：“通过将球状体放入受损区域并孵化培养物，这些块状物既能‘感知’损害，又能重新生长出材料来修复它。”

科学家们设想有一天将球状体整合到建筑材料中，使其具有自我修复的能力。这可能会导致挡风玻璃自行修复裂缝，飞机自行修复机身，或道路上的坑洞自行密封。这样的未来还很遥远，但科学家们正在通过将他们的球状体与海绵、木材和棉花等材料融合来实现这一目标。然而，该技术更短期的应用是在医疗领域。

“我们的发现开辟了一种新的方法，生长出来的材料可以作为具有不同功能的模块使用，比如在建筑方面。”研究第一作者Joaquin Caro-Astorga博士说：“我们目前正在研究在球状体中容纳其他生物体，这些生物体可以与生产纤维素的细菌共同生活。由此可能产生的生物材料是多种多样的：例如，通过分泌医学相关蛋白质的酵母细胞，我们可以产生伤口愈合膜，其中激素和酶由绷带产生，以改善皮肤修复。”

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。