生物系統可以利用其活細胞進行生長和再生，而工程系統則不能。直到現在，研究人員正在利用活細菌來建立堅固，耐受和有彈性的工程材料。

王啟明(音譯)和南加州大學維特比工程學院的研究人員正在利用活細菌來製造一種特殊的工程材料，使其在堅固性、耐性和彈性等效能得到提升。這項研究發表在《先進材料》雜誌上。

“我們製造的材料是有生命，而且可與自我生長”王說，他還說： “幾個世紀以來，人類一直對自然材料的複雜微結構感到好奇和，特別是在發明了顯微鏡來觀察這些微小結構之後。現在，我們向前邁出了重要的一步：我們利用活細菌作為工具，直接創造出人類無法制造的驚人結構。”

而研究人員利用的是一種特殊的細菌——巴氏桿菌，這種細菌因其可以分泌一種叫做脲酶的酶而聞名。當脲酶摻於尿素和鈣離子中時，會促使這兩種發生化學反應形成碳酸鈣——是一種存於在骨骼和牙齒中且硬度較強的礦物質化合物。王說:“我們研究的關鍵創新在於，我們引導細菌生長出碳酸鈣礦物，從而獲得與天然礦化複合物相似的有序微觀結構。

巴氏桿菌

王補充道:“細菌知道如何節省時間和精力來做事。它們也自己的智慧，我們就可以利用這一點去設計出優於全合成材料的混合材料。

在工程學中，從大自然中汲取靈感並不新鮮。正如人們所瞭解的那樣，自然界有許多複雜的礦化複合材料的例子，這些複合材料具有很強的抗斷裂性和能量阻尼性，例如珍珠或軟體動物周圍的硬殼。

王教授說:“儘管細菌、真菌和病毒等微生物有時會有害，但其中一部分也可能是有益的。我們使用微生物用於生產已經有很長的歷史了，例如，使用酵母生產啤酒。但利用微生物製造工程材料的研究目前還很有限。”

利用活細菌用於合成材料，王教授說這種新的生物材料表現出的機械效能優於目前使用的任何天然或合成材料。這在很大程度上是由於這種材料的結構，其特點是多層礦物以不同的角度排列，形成一種“扭曲”或螺旋形。這種結構很難合成。

王說，礦化複合材料的一個關鍵特性是，它可以按照不同的結構或模式進行合成。研究人員很久以前就觀察到螳螂蝦用他的“大螯鉤”擊碎甲殼類的能力。仔細觀察他的“大螯鉤”——一種棍棒狀結構——發現它排列成一種棒狀結構。這種結構提供了優越的強度，以更均勻的角度排列——例如，在90度與每層材料的晶格結構交替。

“合成這種結構在該領域非常具有挑戰性，”王說，“所以我們建議用細菌來代替。”

為了建造這種材料，研究人員3d列印了一個晶格結構或腳手架。該結構內部有空白的正方形，晶格層以不同的角度鋪設，以建立符合螺旋形狀的腳手架。

然後細菌被引入這個結構。細菌天生就喜歡附著在表面上，它們會被吸引到腳手架上，用它們的“腿”抓住材料。在那裡，細菌會分泌脲酶，這種酶會引發碳酸鈣晶體的形成。它們從表面向上生長，最終填充3d列印的晶格結構中的小方格或空隙。細菌喜歡多孔的表面，王說，細菌喜歡多孔的表面，這使得它們可以用礦物質創造不同的圖案。

這類材料還能夠抵抗裂紋的傳播-斷裂-並有助於衰減或分散材料中所承受的能量。現有的材料表現出了非凡的強度、抗斷裂性和能量耗散性，但目前還沒有可以像Wang和他的團隊創造的活材料將這3要素完美融合的材料。

“我們製造了一種非常堅固的東西，”王說。“其直接影響是用於航空航天面板和車輛框架等基礎設施。”

這種生物材料相對較輕，也為防彈衣或車輛裝甲等防禦應用提供了選擇。“這種材料可以抵抗子彈的穿透，並在釋放過程中消耗能量以避免傷害，”與王合作的博士後蘇一品(音)說。

在需要修復時，這些材料甚至有可能被重新引入細菌。

“一個有趣的設想是，這些生物材料仍然具有自我生長的特性，”王說。“當這些材料受到損害時，我們可以引入細菌讓這些材料重新生長。例如，如果我們在橋樑上使用它們，我們可以在需要的時候修復損壞的地方。”

期刊參考：An Xin, Yipin Su, Shengwei Feng, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, Kyung Hoon Lee, Lizhi Sun, Qiming Wang. Growing Living Composites with Ordered Microstructures and Exceptional Mechanical Properties. Advanced Materials, 2021; 2006946 DOI: 10.1002/adma.202006946