真菌被认为是可生物降解材料的有希望来源。研究人员开发了一种基于真菌菌丝体及其自身外细胞基质的新材料。这使得该生物材料具有特别有利的特性。
可持续生产的可生物降解材料是现代材料科学的重要关注点。然而，在处理天然材料如纤维素、木质素或几丁质时，研究人员面临权衡。虽然这些物质在其纯形式中是可生物降解的，但在表现方面往往并不理想。可以通过化学处理步骤使它们更强、更耐用或更柔韧——但这样做往往会妨碍其可持续性。
来自Empa纤维素与木材材料实验室的研究人员现已开发出一种生物基材料，巧妙地避免了这种妥协。这种材料不仅完全可生物降解，还具有抗撕裂性和多功能特性。所有这些都仅需最少的加工步骤且不使用化学品——甚至可以食用。其秘密在于：它是活的。
自然优化
作为新材料的基础，研究人员使用了分裂伞菌的菌丝体，这是一种生长在死木上的广泛可食用真菌。菌丝体是一种类似根的丝状真菌结构，已经在作为潜在材料来源方面进行了积极研究。通常，菌丝纤维——称为菌丝——会被清洗，并在必要时经过化学处理，这带来了上述性能与可持续性之间的权衡。
Empa的研究人员选择了一种不同的方法。他们没有处理菌丝体，而是将其整体使用。随着生长，这种真菌不仅形成了菌丝，还形成了一种称为外细胞基质的结构：由各种纤维状大分子、蛋白质和其他生物物质构成的网络，这些物质是活细胞分泌的。“真菌利用这种外细胞基质赋予自己结构和其他功能特性。我们为什么不一样呢？”Empa研究员阿什托什·辛哈（Ashutosh Sinha）解释道。“自然已经开发出一种优化系统，”纤维素和木材材料实验室负责人古斯塔夫·尼斯特罗姆（Gustav Nyström）补充道。
通过一些额外的优化，研究人员给予自然一些帮助。从分裂伞菌的巨大遗传多样性中，他们选择了一种产生特定两种大分子，特别高水平的菌株：长链多糖分裂伞菌和类肥皂蛋白疏水蛋白。由于其结构，疏水蛋白会在极性与非极性液体的界面处聚集，例如水和油。分裂伞菌是一种纳米纤维：厚度不足一个纳米，但长度超过一千倍。这两种生物分子共同赋予活菌丝体材料适合广泛应用的特性。
活的乳化剂
研究人员在实验室中展示了其材料的多功能性。在最近发表在期刊Advanced Materials上的研究中，他们展示了活材料的两种可能应用：塑料薄膜和乳液。乳液是两种或多种通常不混合的液体的混合物。要查看一个例子，只需打开冰箱：牛奶、沙拉酱或蛋黄酱都是乳液。各种化妆品、油漆和清漆也呈现乳液形态。
一个挑战是稳定这些混合物，以使其不会随着时间的推移而分离成各自的液体。这就是活菌丝体展示其优势的地方：分裂伞菌纤维和疏水蛋白都作为乳化剂发挥作用。并且真菌不断释放更多这些分子。“这可能是唯一一种随时间推移变得更稳定的乳液，”辛哈表示。无论是真菌丝本身还是其外细胞分子都是完全无毒、生物相容且可食用的——分裂伞菌在世界许多地方被常规食用。因此，作为化妆品和食品行业乳化剂的用途特别有趣，”尼斯特罗姆说。
从堆肥袋到电池
活真菌网络也适用于经典材料应用。在第二次实验中，研究人员制造了薄膜形式的菌丝体。外细胞基质及其长分裂伞菌纤维赋予材料非常好的拉伸强度，这可以通过定向排列其中的真菌和多糖纤维进一步增强。
“我们结合了用于处理纤维基材料的成熟方法与新兴的活材料领域，”尼斯特罗姆解释道。辛哈补充说：“我们的菌丝体可以说是一种活的纤维复合材料。”研究人员可以通过改变真菌生长的条件来控制真菌材料的特性。使用其他产生其他功能大分子的真菌菌株或物种也是可以想象的。
处理活材料也带来了一些挑战。“可生物降解材料总是对其环境做出反应，”尼斯特罗姆说。“我们希望找到这些互动不是阻碍而可能是优势的应用。”然而，对于菌丝体，其可生物降解性只是故事的一部分。它还是一种生物降解者：分裂伞菌能够主动分解木材及其他植物材料。辛哈在这里看到了另一个潜在应用：“它可以用于制造能够自行堆肥的有机废物袋，而不是可堆肥的塑料袋，”这位研究员表示。
在可持续电子学领域，菌丝体还有其他有前景的应用。例如，真菌材料对湿度展现可逆反应，可以用于生产可生物降解的湿度传感器。尼斯特罗姆的团队目前正在从事的另一个应用将活材料与纤维素与木材材料实验室的另外两个研究项目结合在一起：真菌生物电池和纸电池。“我们希望生产一种紧凑的可生物降解电池，其电极由一种活的‘真菌纸’组成，”辛哈表示。
