真菌可能重塑下一代智能材料

科学家们将活真菌纤维分散到混合物中，这些混合物可以作为自稳定乳化剂、可调谐薄膜以及食品、包装和电子产品中快速响应的智能材料。

如果活菌能为我们的电子设备供能，织造纺织品，并重新定义我们所知的塑料，会怎样？科学家们正在探索由生物活性生物组成的活体材料，这些生物生长、修复并与周围环境互动。作为自然的回收者，真菌因其能够在腐朽的木材、塑料甚至橡胶等不同表面上定殖和繁殖，是最多样化的生物之一。这些生物能够在最复杂的形状周围生长出坚固的根状网络，称为菌丝体，形成能够自我清洁和愈合的物质。这并非科幻，正如我们在《研究人员利用真菌开发活体材料》一文中追踪的前沿探索，利用真菌的生长特性来创造功能性材料，正迅速从概念变为现实。

然而，制造活体材料具有挑战性，因为传统材料加工技术涉及热量、化学物质和强大的机械力，这些力量可能伤害甚至杀死生物体。这一长期权衡意味着科学家必须在可加工性与生物体的适应能力之间取得平衡。瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）和食品营养与健康研究所的研究人员开发了一种将菌丝转化为极细纤维混合物的方法，称为分散法。 这种纤维分散剂可以通过传统技术进行倒注、混合和加工，同时保持其活性特性和生物功能。

研究人员选择了生长迅速的白腐真菌——精神分裂菌共生菌（Schizophyllum commune），特别是H-48a菌株，该菌株以分泌能结合材料并形成粘合剂的养分和生化物质而闻名。他们在 30°C（86°F）的液体溶液中连续摇晃，将S. commune菌丝体培养7天，然后从溶液中取出。

在液体培养基中培养这些真菌很棘手，因为它们往往会结集成大块纠缠的块状物，形成较弱的材料。为了解决这个问题，研究人员将菌丝体送入一个带有可调节辊隙的小磨坊。他们用这台磨机将长而纠结的团块分解成更细小、更均匀的纤维，宽度大约相当于人类头发。然后他们将这些纤维重新分散到水中，形成称为活纤维分散剂（LFDs）的混合物。

研究人员利用这些LFD开发了不同的材料。其中一种是帮助将水和油等不兼容相混合成类似蛋黄酱的乳化物的物质。这种物质称为乳化剂，它确保混合物保持稳定，不会随着时间重新分离。为了测试LFD是否可用作生物乳化剂，研究人员以高速混合油与油菜籽油，观察油相和水相分离的速度和程度。

在1%和2%的LFD浓度下，乳剂稳定超过25天，甚至能耐受高达80°C（176°F）的高温。相比之下，乳剂在较低的LFD浓度（0.2%和0.3%）时立即分离。然而，当乳液中的真菌再生长18天时，它分泌了额外的稳定生化学物质，使分离速度减缓了多达4倍。这表明，与传统的植物基乳化剂需要纯化不同，LFD可以作为低能量且自稳定的乳化剂，适用于食品、化妆品和生物医学。

研究人员还通过将LFD在培养皿中干燥3天，制成了薄膜。它们密集排列的细线状真菌结构排斥水分，且对光线透明，这与大多数天然纤维材料不同。团队进行了机械测试，证明这些LFD薄膜的拉伸能力可是其他 S. commune薄膜的10倍，且其行为高度依赖湿度。在低湿度下，薄膜保持坚硬且脆弱。但在高湿度下，重新水化的菌丝体像塑料一样有弹性。这种湿度依赖的移动起到了内置开关的作用，使同一膜能够根据周围环境在脆弱的丙烯酸行为和柔性塑料的行为之间转换。

作为最后一步，研究人员调查了LFD薄膜是否可以作为智能材料。他们发现这些薄膜在湿度变化时能在5秒内弯曲至90°，速度更快、幅度更大，超过了同类植物基材料。当他们将多张LFD薄膜并排放置时，观察到新的纤维桥只沿着相邻薄膜方向生长，形成简单的图案。此外，由于这些真菌自然地定殖并分解各种材料，LFD系统本质上具有可回收性，有助于将材料回归自然。这项研究为我们理解《真菌学史》的边界提供了新的维度——它不仅是被加工的对象，更能成为主动响应的智能系统组成部分。

研究人员得出结论，基于真菌的LFD技术可以广泛应用于可生物降解电子、纺织、包装和软机器人领域。他们还建议，基因工程可能使真菌能够降解更广泛的塑料和材料，支持材料回收，扩大可持续、多功能、生物基材料的范围。