最新の自然素材: 菌糸ハイドロゲル 3D プリントによる活性複合材料

出典: マテリアルピープル

01【成果の紹介】

動物の骨や植物の茎などの生体活性物質は、環境ストレスに応じて自己修復、再生、適応、意思決定を行うことができます。近年、研究者らが合成材料にこれらの注目すべき機能のいくつかを組み込む試みに成功しているにもかかわらず、生物学で発見された複雑な適応システムの新しい特性の多くは、人工生体材料では未解明のままです。

02【実績】

最近、ETH チューリッヒのアンドレ・R・スタダート教授とクナル・マサニア教授のチームは、真菌菌糸体の新たな特性を利用して生きた複合材料を作成する方法を考案しました。これにより、材料の機能を最大限に活用して特定のエンジニアリング目的に役立てながら、自己修復、再生、環境適応を実現しました。菌類を充填したハイドロゲルは格子構造に 3D プリントされ、菌糸がバランスの取れた探索および利用モードで成長し、ゲルのコロニー形成と空隙の橋渡しが促進されるようになりました。最後に、この菌糸体ベースの生きた複合材料の可能性を示すために、この研究では、機械的に堅牢で、自己洗浄性があり、損傷後に自律的に再生できるロボット皮膚を 3D プリントしました。「菌糸体ハイドロゲルの3次元印刷による生体複合材料」と題する関連論文がNature Materialsに掲載されました。

03【コアイノベーションポイント】

この研究では、微生物のユニークな活動と3Dプリント技術を革新的に組み合わせ、自己修復、再生、環境適応を実現できる複合材料の設計に成功しました。

この研究では、真菌菌糸の出現特性を利用して、強力な繊維状の菌糸ネットワークに由来する機械的特性を持つ生きた複合材料を作成します。

この菌糸体ベースのバイオ複合材料の可能性を示すために、この研究では、損傷後に自己再生できる強力な自己洗浄ロボット皮膚を 3D プリントしました。

04【データ概要】

活性ハイドロゲルの印刷

この研究では、菌糸を接種したハイドロゲルを使用して、生きた複合材料を 3D プリントします。ワークフローでは、麦芽エキスとレオロジー改質剤を含む寒天ベースのハイドロゲルを混合して粒状インクを作成し、次にこれらの粒状インクの上に菌類を堆積させ、最後に菌類の最上層を除去して、直接インク書き込みによる 3D 印刷用の菌糸体原料を作成します (図 1a)。生のインクは機械的に安定した格子状の構造に印刷され、菌糸の成長に必要な空きスペースと栄養素を提供します。これらの構造では、最終用途に適した形状の強力な繊維状菌糸ネットワークの形成により、機械的な堅牢性が実現されます。菌糸細胞の生存能力と損傷した部分を自己再生する能力は、菌糸細胞の代謝活動から生じ、自然界では多孔質構造の孔内で成長するように進化してきました。この複雑な菌類ベースの素材の究極の機能性は、個々の菌糸細胞から菌糸ネットワークへと成長し、設計されたマクロ形状にグリッド状の構造を形成することによって実現されます。

図1 3Dプリント菌糸ハイドロゲルで作られた生きた複合材料と物体 © 2023 Springer Nature Limited

真菌の増殖

菌糸体をベースとした生きた複合材料を作成するために、この研究ではまず、印刷可能な菌糸体ハイドロゲルを準備するために必要な条件と、グリッド状構造の予想される隙間の間で菌類が成長するために必要な条件を決定しました。高菌糸濃度ハイドロゲルインクを生成するための処理条件は、寒天ベースのハイドロゲル基質上に堆積した菌類の成長挙動を研究することによって評価されました。この目的のために、長方形の菌接種物を基質の表面に配置し、23°C、相対湿度95%で培養しました。成長は、麦芽エキスの初期濃度が異なるハイドロゲル上に菌を 5 日間沈着させた後、菌の半径方向および厚さの伸びを測定することによって定量化されました。結果は、菌糸の成長が基質中の麦芽エキスの濃度に強く影響されることを示した（図2b）。濃度が低いと菌類の放射状の拡大が促進され、表面菌糸層の厚さが制限されます。麦芽エキスを多く含むハイドロゲル上に付着した菌類は、放射状に広がるのではなく、ゲル上で厚い層になって成長する傾向がありました。バランスのとれた探索と利用の戦略により、この最適な栄養濃度で培養された菌糸体は、ハイドロゲル内で局所的に成長するだけでなく、平均成長率 0.20～0.35 mm/日で最大 2.5 mm の空隙を埋めることができました (図 2c、d)。この研究におけるレオロジー特性評価により、低せん断ひずみでの粘弾性特性はベースハイドロゲルの成分によって支配され、一方で菌糸ネットワークはより高い変形でのみ活性化される機械的補強の役割を果たすことが明らかになりました。重要なのは、菌糸インクの貯蔵弾性率と降伏応力が、毛細管力や重力によって引き起こされるフィラメントのたるみやねじれを最小限に抑えるのに十分であることです。

図2 菌糸体を含むハイドロゲルの真菌成長挙動とレオロジー © 2023 Springer Nature Limited

菌糸体生体材料の成長と機械的特性

この研究では、最適なレオロジー特性を持つ細菌を含んだインクをプリンターで 3D プリントし、安定したグリッド状の構造を作りました。異なるインク配合とプログラム可能な印刷パスを使用して、異なるフィラメント間隔、直径、麦芽エキス濃度のメッシュが作成されました。これらプリントされたグリッドの最大 20 日間の培養時間により、ハイドロゲルフィラメント間の菌糸の効率的な成長が可能になり、機械的に堅牢な生体構造が実現しました。菌糸の経時的な成長は、水中で粉砕し、グリッドを徹底的に洗浄した後に残っている乾燥バイオマスの相対量を測定して定量化されました。結果は、菌糸体の乾燥重量は最初はゼロで、培養の最初の 10 日間で約 4～5 重量 % まで直線的に増加し、その後バイオマスの量が安定したことを示しました (図 3c)。この動作は、これらの実験で使用された 10% の麦芽濃度は最初の 10 日間に安定した菌糸の成長を誘導するのに十分であったが、この時間枠を過ぎると培地から栄養素が最終的に枯渇したことを示唆しています。

この研究では、異なる期間培養された標本に対して圧縮試験を実施することにより、メッシュの剛性を定量化しました（図 3）。これらの測定から得られた典型的な応力-ひずみ曲線は、加えられたひずみが増加するにつれてメッシュが連続的に硬化することを示しています。この研究では、応力-ひずみデータの傾きを材料の瞬間弾性率としてとらえ（図 3d）、メッシュが一軸圧縮下で連続的に硬化するプロセスを起こすことがわかりました。その場の画像化により、サンプルの高さに沿った隣接するフィラメントは、最初の硬化プロセス中に菌糸によって分離されたままであったが、2 回目の硬化イベント中に最終的に別の位置に押し出されたことが示されました。圧縮と高密度化が進むにつれて、メッシュは劇的に硬化し続け、最終的には破断します。メッシュの剛性と生成される乾燥バイオマスとの間の直接的な相関関係は、麦芽抽出物の濃度とワイヤギャップがメッシュの弾性係数に与える影響を説明するのにも役立ちます (図 3g、h)。この研究では、異なる麦芽濃度で準備されたグリッドについて、過剰な栄養素が必ずしもグリッド内のバイオマス濃度の上昇につながるわけではないことが分かりました。この発見は、糖分含有量が多いと水分活性が低下し、糸状菌の増殖が抑制されることが示されているという事実と関係している可能性があります。

図3 10%麦芽濃度における菌糸体活性物質の成長と機械的剛性 © 2023 Springer Nature Limited

真菌系3次元材料の再生挙動と再生機械皮膚の応用に関する研究

菌糸ネットワークの代謝活動により、この作品の 3D プリントされたオブジェクトは、驚くべき生命力と自己再生能力を備えています。この研究では、モデル実験で物理的に分離された表面や空気の隙間を越えた微生物の増殖挙動を研究することにより、これらの特性を初めて明らかにしました。現在の作業材料の活性についての洞察を得るために、2 つの真菌含有ハイドロゲルフィラメント間で成長する菌糸ネットワークを、レーザー走査型共焦点顕微鏡で経時的に画像化しました (図 4b)。印刷されたフィラメント間の空隙に形成される菌糸の共焦点画像は、実験条件下では微生物が成長するにつれてフラクタルのようなネットワークを形成することを示した。菌糸の成長により、対応する菌類ベースの材料の機械的特性が向上します。初期のハイドロゲルベースのメッシュと比較して、菌糸の成長により、引き裂き抵抗、引張強度、圧縮強度が向上します。初期の成長段階の後、修復された材料は依然として高い弾性率を維持しますが、より低い応力で破損します。この研究では、菌糸体は特定の物体の損傷部分を自己修復するだけでなく、隣接する異なる物体間の空隙を越えて成長することもできるため、個別に製造された部品を接続するだけで複雑な形状の構造を作成できることがわかりました (図 4f)。

菌糸体ベースのハイドロゲルの活性と印刷可能性は、カスタマイズされたデザインと前例のない適応動作を備えた機能的な構造を作成する可能性を提供します。一例として、この研究では、ロボットグリッパーと球形ロボット用の自己再生機能皮膚の形で菌糸体ベースの生体材料を 3D プリントしました (図 4g-i)。成長後、皮膚は機械的完全性と生体特性を維持できるほど強くなります。さらに、菌糸ネットワークの疎水性により、皮膚が水に濡れるのを防ぎ、球形ロボットに防水セルフクリーニング機能を提供します。生きた皮膚の自己再生には栄養素が必要であるため、埋め込まれた栄養源に接続された血管構造を印刷することは、さらに研究する必要がある可能性のある戦略です。

図4 菌糸体ベースのバイオマテリアルの活性、自己修復および応用 © 2023 Springer Nature Limited
05【結果から見えてくるもの】

要約すると、この研究は微生物の活動と3Dプリント技術の成形能力を組み合わせたもので、比類のない複雑な適応機能を備えた生体材料を作成するための効果的な方法です。この戦略を使用すると、対象の微生物を搭載したハイドロゲルを、機能設計に適合し、生物種の成長に適した環境を提供する構造に成形することができます。形成された構造の生体特性は、ハイドロゲルに埋め込まれた生物の代謝活動に由来します。この代謝活動により、菌糸ベースの生物は、成長と再生を可能にする散逸的な自己組織化プロセス、複数の長さスケールにわたる構成要素の階層的組織化、スケールフリーフラクタルネットワークの最適な輸送特性、情報処理細胞の分散型協調行動から生じる意思決定能力など、複雑適応システムのいくつかの特徴を付与されます。 3D プリントによって構築された複雑な適応特性を備えたこの真菌ハイドロゲル戦略は、機能性生体材料の設計と製造に関する新たな洞察を提供します。

第一著者: シルヴァン・ガンテンバイン
連絡先著者: André R. Studart、Kunal Masania
対応部署: ETH チューリッヒ論文 doi: https://doi.org/10.1038/s41563-022-01429-5