面对日益严峻的环境挑战，世界各地的科学家正在寻求可持续的解决方案。工程生物材料(包含生物体的复合材料)通过减少我们对化石燃料衍生材料的依赖并利用生命系统的独特特性，提供了巨大的前景。
用活有机体彻底改变材料科学
生命材料的灵感来自于自然界，植物、动物和微生物通常会制造功能性材料，作为其正常生理的一部分。例如，树木产生由木质素“胶水”粘合在一起的坚硬纤维素纤维组成的木质组织，而海洋贻贝分泌水下粘合剂，一些细菌可以发电。这些生命系统表现出独特的能力，例如自组装、自修复、响应能力和生物合成，这是合成材料难以实现的。
合成生物学领域提供了在基因水平上重新编程生物体的工具，使科学家能够设计具有定制特性的生物材料。通过引入人工基因电路，微生物可以被设计为感知来自环境的信号并相应地制造用户定义的产品。材料科学家也在探索如何将生命组件与非生命结构(例如水凝胶和电子设备)集成。由此产生的“混合生命材料”旨在通过合成成分的坚固性和可制造性来增强生物体的功能。
目前，几家初创公司正在将早期的生命材料技术商业化，但它们仍然面临着生产成本高、机械强度与传统材料相比较差等挑战。然而，如果能够克服这些障碍，有一天，生物材料可能会在从包装到基础设施建设等应用领域取代不可持续的传统材料。
向自然学习：材料设计的进化杰作
生物体利用蛋白质、多糖和矿物质自然地产生一系列令人惊叹的功能材料。例如，木本植物生物合成木质素、纤维素和半纤维素来构建坚固的树干，而海洋贻贝则分泌水下粘附蛋白以附着在表面上。最有趣的是，这些活性材料表现出合成材料所缺乏的动态特性，例如自组装、受伤后自愈、适应环境刺激和持续自我更新的能力。
仿生材料领域旨在模仿这种自然结构，但复制它们的生命属性仍然具有挑战性。现在，一种新兴的方法是对生物体本身进行改造，使其成为生产功能材料的微生物“工厂”。作为经过数十亿年进化的生化合成专家，活细胞有可能提供一种可持续的方式来制造各种定制的生物聚合物。
研究人员根据生命材料系统的设计对其进行分类：
自组织活材料：仅由工程细菌、真菌或哺乳动物细胞等活体成分构成。他们的目标是重现自然自组装和环境响应行为。
混合活性材料：将活性成分与非生物支架(例如水凝胶和电子设备)合并。无生命部件提高了可制造性并增强了嵌入式生物体的功能。
使用合成生物学对生命材料进行编程
合成生物学这一新兴领域提供了一个工具包，可以利用模块化、标准化和建模的原理对生物体进行基因重编程。利用编码基本遗传功能的特征明确的 DNA 部分库，合成生物学家可以引入人工基因电路，赋予细胞类似计算机的功能。例如，工程基因网络允许微生物感知化学信号、执行逻辑计算或同步其跨群体的行为。
通过利用合成生物学，研究人员正在探索各种策略来开发具有编程功能的自组织生命材料：
定制材料构建模块：细胞分泌的蛋白质或多糖可以通过使用重组 DNA 技术与肽或蛋白质融合来功能化。例如，大肠杆菌生物膜基质蛋白经过修饰，可以吸收重金属并在水下粘附。
设计刺激响应基因电路：引入检测毒素、光或电场等信号的电路，使生物材料能够动态感知环境并做出反应。
工程细胞间通信：结合群体感应等通信模块，使工程细胞群体能够集体自我调节材料的制造和性能。
构建人工微生物联盟：将任务分配给不同的群体，通过分配代谢负担来实现更复杂的材料功能。
除了提到的例子之外，大自然还提供了灵感的宝库。蜘蛛丝具有非凡的强度和灵活性，而骨骼则具有自我再生的能力。研究人员正在探索如何在工程材料中模拟这些特性。例如，菌丝体(真菌的根状结构)被用来制造可持续的包装和建筑材料。能够产生碳酸钙的细菌被纳入能够修复自身裂缝的自修复混凝土中。科学家甚至正在设计含有微生物的织物，这些微生物会根据污染或温度而改变颜色。
连接世界：生物与非生物混合材料的协同作用
尽管纯粹由生命组成，但由工程生物制造的材料目前仍受到机械强度较弱等限制。为了解决这个问题，研究人员正在探索混合系统，将活细胞与强大的非生物成分结合起来，同时利用材料科学的制造技术。
例如，3D 打印和微流体等技术可以将活细胞可控地封装在可定制的聚合物水凝胶中。这些凝胶提供了柔软的水生环境，以维持细胞活力，同时增强整体混合材料的物理特性。
在其他情况下，研究人员整合了功能性非生命成分，与微生物代谢协同作用，以实现新的材料功能。例子包括收集光能为固定CO 2 的细菌提供动力的半导体纳米粒子，以及与工程基因电路连接的电子传感器。
生命材料的实际应用
生命材料的变革力量不仅限于实验室工作台或理论研究;这是全球各个领域正在发生的现实。这些现实世界的应用展示了生物学与工程原理的创新整合如何使可持续解决方案变得切实可行。从自我修复的建筑物到对人体产生反应的纺织品，再到从真菌根中生长的包装材料，下面的案例研究重点介绍了已经产生影响的实际产品和技术。通过弥合自然智慧和人类创造力之间的差距，这些例子不仅强调了生活材料的实用性，而且还强调了它们显着改变工业、改善环境成果和改善日常生活的潜力。
活的建筑结构
Hy -Fi 装置由 The Living 建筑集团设计，体现了生物工程材料在建筑中的潜力。该结构由玉米秆和活菌丝体制成的可生物降解砖建造而成，展示了如何使用活材料来创建可持续的、可堆肥的建筑项目，并且不会影响强度或设计，暗示了绿色建筑的未来。
来自菌丝体的环保建筑材料
菌丝体是真菌的根结构，处于可持续材料创新的前沿，MycoWorks和Ecovative Design等公司处于领先地位。这些公司利用菌丝体的自然生长过程来制造不仅坚固耐用而且完全可生物降解的材料。通过将农业废物喂入菌丝体，他们将其塑造成从皮革替代品到包装和绝缘材料的各种产品，为循环经济原理的实际应用提供了令人信服的例子。
实现生活材料的可持续发展潜力
倡导者认为，与传统制造相比，活性材料可以提供多种可持续性优势，包括：
利用转基因微生物作为细胞工厂来生产可再生生物塑料、皮革替代品和颜料。这减少了对石化原料的依赖。
利用生物体对污染物和废物进行主动生物修复。工程微生物有望从空气中捕获碳或降解塑料废物。
设计可延长食品保质期、减少腐败和浪费的益生菌活性涂层。
使用固氮或矿物质沉积细菌作为微生物肥料，实现更可持续的农业，降低对合成肥料的需求。
虽然生物材料有着巨大的前景，但在广泛采用之前必须解决一些障碍。目前的生产成本超过了许多传统材料。转基因生物的使用引起了生物安全问题，需要严格的遏制和环境风险评估。公众对合成生物学的看法各不相同，关于好处和潜在风险的清晰沟通至关重要。最后，工程活性材料需要真正的跨学科方法，促进传统上可能不相互作用的领域之间的合作。
尽管如此，生物材料代表了合成生物学和材料科学之间令人兴奋的交叉点。随着细胞工程和微生物群落管理的不断进步，生命技术有一天可能会为化学品制造、废水处理、空气中碳封存等提供可持续的解决方案。但要使这一未来愿景成为现实，需要在该领域取得重大进展。
总之，工程活性材料代表了可持续制造的突破性方法，为传统合成材料提供了令人信服的替代品。通过利用生物体的力量并将其与先进的工程技术相结合，科学家和创新者正在创造具有自组装、自修复和适应性等卓越特性的材料。从菌丝体生长的环保建筑材料到自愈混凝土和细菌产生的可生物降解塑料，生物材料的实际应用展示了它们在变革工业、减少环境影响和改善我们日常生活方面的潜力。
随着该领域的不断发展，随着合成生物学和跨学科合作的进步，生物材料将在塑造更加可持续的未来方面发挥至关重要的作用。然而，实现这一潜力需要解决生产成本、生物安全问题和公众认知等挑战。尽管如此，生物材料的前景是不可否认的，它们的发展代表了寻求创新解决方案应对全球可持续发展挑战的令人兴奋的前沿领域。
活水凝胶纤维揭开了可持续工程材料的新时代
旨在适应：生活材料是可持续建筑的未来
3D 打印的“生命材料”可以净化受污染的水(带视频)
活性结构材料可以为工程师和建筑师开辟新视野
工程活水凝胶
研究人员从细菌中培育出宏观模块化材料
利用活细菌设计自生长工程材料
自修复混凝土
蛇怪自愈混凝土代表了建筑材料的突破性进步。这种创新的混凝土含有特定的细菌，当接触到水时，这些细菌会被激活，用石灰石填充裂缝，从根本上治愈混凝土。该工艺显着延长了材料的使用寿命，降低了维护成本，并通过潜在降低混凝土行业的整体碳足迹提供了一种环保的替代方案。
生物塑料生产
Newlight Technologies 的 AirCarbon通过利用食甲烷细菌生产可生物降解的塑料替代品，应对塑料污染和气候变化的双重挑战。这一过程从空气中捕获甲烷(一种强效温室气体)，并将其转化为可用于从时尚用品到食品包装等多种产品的材料，展示了一种减少碳排放和废物的新方法。
工程活性涂料
Indigo Agriculture使用微生物种衣以可持续的方式提高作物健康和产量。这些涂层含有有益细菌，可以提高植物抵御干旱和害虫的能力，减少对化肥和杀虫剂的需求。这种创新方法不仅支持可持续农业实践，而且凸显了生物材料为全球粮食安全做出贡献的潜力。
可穿戴生物传感器
Morphing Matter Lab是生物逻辑领域的先驱，通过其响应式织物将生命材料整合到纺织工业中，该织物将纳豆细菌(枯草芽孢杆菌)的活细胞作为湿度敏感的纳米致动器。织物的襟翼根据穿着者的汗水而打开和关闭，提供自然通风。这种智能纺织品创新为可穿戴技术开辟了新的可能性，集舒适性、功能性和可持续性于一体。
