“活”的材料来了！

本文转自：新华日报

“活”的材料来了！

南工大新成果让材料自生长自修复

□ 本报记者 谢诗涵 通讯员 杨芳

摔碎的手机屏能像皮肤一样实现自我修复？盖着的杯子能像胃一样消化食物？穿戴的衣服能像皮肤一样感知周围的环境情况？……南京工业大学材料化学工程国家重点实验室余子夷教授团队联合英国剑桥大学Tuomas Knowles教授团队取得的最新研究成果，有望让这些想象走进现实。据悉，研究团队致力于研究生物细胞与人工物质的融合组装，研究发现生命体“活”的特征可以赋予材料自生长、自适应、自修复、自感知等宏观性能，该成果近日发表于国际权威期刊《自然·通讯》。

我国《“十四五”生物经济发展规划》明确将生物制造作为生物经济战略性新兴产业发展方向，这对我们科学研究工作者来说是机遇也是挑战。余子夷介绍，活体功能材料是材料科学与合成生物学交叉融合的产物，对发展未来生命材料具有重大意义。此次团队的研究取得了两大显著突破：一是赋予材料催化“活性”，大幅度提升了细胞的生物转化效率；二是提供了一个可资借鉴的研究范式，可扩展到自修复、生物传感等新兴功能的活体材料制备。

“一个普通材质制作的基质仅是作为一种容器固定目标细胞，但采用颗粒水凝胶载体构成的活性功能材料不仅仅为细胞提供了一个生长代谢场所，更是高效率物质转化的生物反应器。”余子夷告诉《科技周刊》记者，考虑到目前多细胞工业菌株进行生物制造稳定性和效率亟需提高的迫切需求，他们发展了一种蛋白质基的细胞微载体，将其构建成具有催化特征的活材料，实现了苯乙醇分子的高效生物合成。

“生物转化反应器内的活细胞成分扩大了‘朋友圈’，大大提升了物质转化率。”余子夷解释，如果将蛋白质基的微载体比作一个鸡蛋壳，以往研究通常注入无活性成分的物质，或是将注入的活性细胞限制在固定位置，而他们的成果突出之处在于，鸡蛋壳内不仅有活性细胞，且活性细胞可以自由活动，形成“互助合作组”，在进行信息交换时增强了生物活性。“换句话说，这种活体材料相较于传统材料，不仅能利用细胞自身特性进行催化反应，从而实现生物制造，而且较之传统的化学催化剂具有更高的效率、更好的特异性和更低的废物产生量，实现了利用细胞生物体机能进行的绿色生产。”实验表明，这一技术的突破使苯乙醇生产从原先的1g/l提升至12g/l，效率提升12倍。

“我们利用核壳颗粒凝胶制成生物墨水实现了面向微生物的3D打印，可拓展研究功能性微生物的手段并探索多细胞共生的相互作用，有助于开发高等级的复杂活体功能材料。”论文共同作者张洋硕士介绍，比喻成鸡蛋壳的细胞微载体也可理解为一种船一样的载体，船内可以根据不同的需求装载不同生命元素（微生物）；形成不同的活性功能后，再通过3D打印成不同形状。“这项研究发现为绿色生物制造提供了一个新的研究范式。”余子夷表示，照这样的研究思路，用活性功能材料构建的手机屏，在手机屏不慎摔碎后，微生物即可感知破损并启动自修复功能，还大家一个完整的手机屏。

据了解，该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、南工大材料化学工程国家重点实验室自主课题等项目的支持。研究成果实现了对细胞微环境与载体材料的分离，为构建新型的活体功能材料、3D器官打印等领域研究提供了思路，未来有望促进医药、生物燃料、环境治理和食品工业等领域的绿色生物经济发展。