南加州大学 学分:王启民，南加州大学维特比工程学院 生物系统可以利用它们的活细胞进行生长和再生，但工程系统不能
直到现在
王启民和南加州大学维特比工程学院的研究人员正在利用活细菌来制造坚固、耐受和有弹性的工程材料
这项研究发表在《高级材料》杂志上
“我们正在制造的材料是活的和自我成长的，”王说，他是斯蒂芬·施兰克土木与环境工程早期职业讲座教授，同时也是悉尼阿斯塔尼土木与环境工程系的土木与环境工程助理教授
“几个世纪以来，我们一直对天然材料复杂的微观结构感到惊讶，尤其是在发明了显微镜来观察这些微小结构之后
现在我们向前迈出了重要的一步:我们用活细菌作为工具，直接生长出我们自己无法制造的惊人结构
" 研究人员研究特定的细菌
巴斯德氏菌——以分泌一种叫做脲酶的酶而闻名
当脲酶暴露于尿素和钙离子时，它会产生碳酸钙，这是一种在骨骼或牙齿中发现的基本而强的矿物质化合物
“我们研究中的关键创新，”王说，“是我们引导细菌生长碳酸钙矿物，以获得类似于天然矿化复合材料中的有序微结构
" 王补充说:“细菌懂得节约时间和精力去做事
他们有自己的智能，我们可以利用他们的智能来设计优于完全合成材料的混合材料
从自然中汲取灵感在工程学中并不新鲜
正如人们所怀疑的那样，自然界中有许多复杂的矿化复合材料的例子，这些复合材料坚固、抗断裂、具有能量阻尼作用——例如珍珠质或软体动物周围的硬壳
王说:“尽管细菌、真菌和病毒等微生物有时对致病有害，比如，但它们也可能有益
我们利用微生物作为工厂的历史悠久——例如，利用酵母制造啤酒
但是利用微生物制造工程材料的研究很有限
" 王说，这种新的生物材料结合了活细菌和合成材料，其机械性能优于目前使用的任何天然或合成材料
这在很大程度上是由于这种材料的球粒结构，其特征是多层矿物以不同的角度排列，形成一种“扭曲”或螺旋形状
这种结构很难综合创造
王与南加州大学维特比研究员安新，苏一平，延，于，峰和景合作
加州大学欧文分校土木工程教授孙丽芝和他的学生冯胜伟提供了额外的支持
形状里有什么？ 王说，矿化复合材料的一个关键特性是，它可以按照不同的结构或模式进行操作
研究人员很久以前就观察到了螳螂虾用他的“锤子”敲开肌肉壳的能力
更仔细地观察他的“锤子”——一个像棍子一样的结构或手——他们发现它被安排在一个圆形结构中
这种结构比以更均匀的角度排列的结构具有更高的强度——例如，材料的晶格结构与每一层交替成90度
“综合创建这种结构在该领域是非常具有挑战性的，”王说
“所以我们提议用细菌来代替
" 为了建造这种材料，研究人员三维打印了一个网格结构或脚手架
这种结构内部有空的正方形，格子层以不同的角度铺设，以创建符合螺旋形的脚手架
然后细菌被引入到这个结构中
细菌本质上喜欢附着在表面，会被吸引到脚手架上，用它们的“腿”抓住材料
在那里，细菌会分泌脲酶，这种酶会引发碳酸钙晶体的形成
这些从表面向上生长，最终填充在三维印刷网格结构中的小方块或空隙中
王说，细菌喜欢多孔的表面，允许它们与矿物质形成不同的模式
三连胜 “我们进行了机械测试，证明这种结构的强度非常高
他们还能够抵抗裂缝的扩展——断裂——并帮助抑制或消散材料中的能量，”中欧国际工商学院博士生安新说
现有的材料已经显示出非凡的强度、抗断裂性和能量耗散性，但是所有三种元素的组合还没有在王和他的团队所创造的活体材料中表现出同样的效果
“我们编造了一些非常僵硬和强烈的东西，”王说
“直接的影响是用于基础设施，如航空航天面板和车辆框架
" 活体材料相对较轻，也为防弹衣或车辆装甲等防御应用提供了选择
“这种材料可以抵抗子弹的穿透，并通过释放能量来避免损伤，”与王一起工作的博士后苏一平说
当需要修复时，这些物质甚至有可能被重新引入细菌
“一个有趣的设想是，这些生物材料仍然具有自我生长的特性，”王说
“当这些材料受到破坏时，我们可以引入细菌使材料重新生长
例如，如果我们在桥上使用它们，我们可以在需要的时候修复损坏
"
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