【九章算AM解读】多相体系下的生物制造纤维素

纳米纤维素材料在近些年来得到了人们的广泛关注。通常情况下，纤维素主要来自林木资源。木基纤维素的使用，往往需要一个这种先降解-后组装的过程，即从大型的木材开始削减其尺寸，直到微纳尺寸，然后再将纤维素重新通过各种方式组装成特定的宏观材料结构。

自然界中，很多微生物也可以从糖源中直接合成纳米纤维素，也就是细菌纤维素。我国传统食品中的工夫茶，红酒醋的酿造，马来西亚传统食物Nata-de-Coco，均涉及能生产细菌纤维素的微生物菌群。理论上，细菌纤维素的形成，是一个直接的自下而上的组装过程，从糖源一步到位组装成纳米纤维素的结构，因此这个微生物过程是非常高效的。从材料特性上讲，细菌纤维素更是有着诸多优点，例如高纯度，高结晶度，高拉伸强度，以及良好的生物可兼容性。

如果要更有效的利用细菌纤维素的生产过程特点，就需要有能力控制细菌活性，让其在指定环境下，一步合成各式可控的纤维素结构。因为微生物合成纤维素是一个好氧过程，所以通常情况下，细菌纤维素是在空气-水界面合成一张平整的薄膜。在本文中，作者们提出了一种新的液下生物制造概念（图1），利用油相溶解和运输氧气的能力，在油-水界面上控制细菌纤维素的生长。再结合各式多相体系控制水油界面形貌，便可以有效的，一步合成多种纳米纤维素结构。

图1. 液下生物制造技术概念图及其优势简介

对比在空气-水界面的传统生物制造技术，液下生物制造技术主要有三大优势。首先，油层为细菌生长环境提供了一层物理屏障。实验中观察到，在开放空间中，样品的被污染率明显下降。并且，由于油层可以阻碍水层蒸发，所以液下生物制造可以更有效的保留油-水洁面的原始模版形貌，保证最终纤维素结构的精准度。第二点是，油-水洁面相对于空气-水界面，界面张力更低，所以更容易搭建弯曲的界面环境。由于细菌纤维素使沿着界面进行生长，更稳定的弯曲界面条件是3D生物制造的基础。最后就是，液下生物制造技术，理论上可以和诸多软物质领域技术直接结合，这主要包括了乳液模版制造，和微流控技术。

文中首先验证了驹形杆菌（Komagataeibacter medellinensis）在不同的水油界面体系中，生产细菌纤维素的活性。文章覆盖了四大类最常见的油，分别是全氟烃（PFC），氢氟烃（HFC），硅油类，和碳氢烃。溶解在有机溶剂中的氧气足以支持细菌纤维素的生物合成过程。PFC油因为其最强的溶氧能力，在其界面上生成的细菌纤维素产率最高。在大类别上，细菌纤维素产率顺序为PFC > HFC > 硅油类 > 碳氢类。

图2. 油相种类对细菌纤维素产率的影响

作者选取了F-decalin(PFC油类代表)，1 mPa s粘度的硅油，和正十二烷烃(碳氢油类代表)作为标准油相，测定水油界面生成的细菌纤维素的基础性质。从产率、纤维粗细度、孔隙率、拉伸强度等方面看，F-decalin-水界面上生成的细菌纤维素特性，都与常见的空气-水界面生成的细菌纤维素性质最为接近。比较有趣的是，在硅油-水界面上生成的细菌纤维素，其结晶度和机械性能甚至有所提升。从十二烷-水界面得到的细菌纤维素，其各项性能指标都不尽人意。

图3. 在不同油-水界面生成的细菌纤维素的各项性能对比

文章的最后，作者着重介绍了如何结合液下生物制造技术与多相体系，搭建泛用性多功能3D细菌纤维素结构。实例1为，多层界面诱导，一步合成多层纤维素水凝胶/薄膜（图4a）。实例2为，油包水乳液诱导，生物合成微米胶囊（图4b）。实例3为，水包油诱导，制备可模具塑性的细菌纤维素多孔材料（图4c）。实例4为，与超疏水界面结合，生物制造各向异性薄膜（Janus membrane）（图4d）。

图4. 液下生物制造技术结合四类多相体系一步制备多种纤维素结构

在文章中，作者主要提及了以下创新点。首先，液下生物制造结束，理论上可以结合任意传统多相体系，通过控制水相构象直接生成对应纤维素结构。首先，从结构层面讲，作者展示了通过控制分散相液滴大小，可以直接调控胶囊或孔洞大小。作者还展示了液下生物制造技术和特殊的乳液体系，例如结构液体（structured liquids），还可以拓展出更多的纤维素构象（例如细菌纤维素丝线）。再者，从构建多功能材料角度讲，液下生物制造技术，可适用于包覆各类纳米颗粒。对于纳米颗粒的选择，只需要其可以在水相有良好的分散性，并且不会抑制细菌活性。本文中作者展示了成功包覆磁响应纳米颗粒和有机金属框架（MOFs）。

加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）的卢翊博士后为本文第一兼共同通讯作者，Orlando J. Rojas教授为通讯作者。文章最新发表在Advanced Materials，原文链接为https://doi.org/10.1002/adma.202400311