《Nature Materials》：3D打印真菌，制备自再生活材料

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发布时间：2023-02-06 16:11
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3D打印含有真菌菌丝体的水凝胶可以产生与工程应用相关的、具有独特适应性的形状的生物材料。活菌丝网络的代谢活动允许打印的结构在获得水中的营养物质时自主生长和自我再生。

原文链接：

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

传统的合成材料会随着时间的推移而降解，在没有人为干预的情况下无法自我适应或愈合。此外，制造这种材料通常需要高温和恶劣的条件。相比之下，由生物有机体制成的活材料，如骨头，可以生长、自我再生和自主适应环境，以执行其生物功能。这些活的物质通常是在生物体的生物机制的驱动下，在温和的温度下用水制成的。工程生物材料领域旨在利用微生物生物学为材料带来生命，这引发了许多令人兴奋的研究问题。在这项研究中，研究人员想要探索真菌为自然界中特定任务而进化的生物机制如何与工程应用中遇到的功能和几何约束相协调。

图1 3D打印载菌丝体水凝胶制备的|生物复合材料。

通过3D打印装载菌丝的水凝胶，研究人员创造了具有定制几何形状和自再生特性的活材料。3D打印可以将活的材料塑造成相关的几何形状，菌丝体赋予了该结构具有自我再生和适应能力所需的生物机制。因为真菌已经进化到可以在土壤颗粒之间的缝隙中生长，因此是理想的微生物，可以通过弥合因破坏而产生的开放空间来再生结构。

为了利用这一潜力，科研人员打印了网格状结构，为菌丝生长提供了一个开放气道的机械强健结构和营养丰富的环境。网格是用含有接种真菌的凝胶培养基的粒状水凝胶墨水打印的(图1)。分布在墨水中的菌丝在3D打印物体内形成了一个相互连接的真菌细胞网络。3D打印后的活菌丝表现出对周围环境的探索(游击式)和开发(方阵式)相结合的平衡生长策略。这种生长导致了分形菌丝网络，为打印网格提供了机械强度，它发生在室温下的水中。

图2 载菌丝水凝胶的真菌生长行为和流变学。

此外，菌丝在受损部位的生长允许结构自愈。生物结构由营养物质提供化学燃料，其生长不需要人为干预。这种能力使制造具有复杂系统动态特性的生物材料成为可能。这种活材料不同于以前的3D打印菌丝体，在制作过程的最后，真菌会被杀死。除了自我修复，菌丝体网络的生长还可以用来合并打印的水凝胶，形成复杂的结构。最后，研究人员通过3D打印无系绳机器人和可编程夹持器的活功能皮肤，说明了装载菌丝的水凝胶的潜力。

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