美国启动工程化活体材料研究
8月5日,美国国防部高级研究计划局发布了工程化活体材料(ELM)计划的广泛机构公告[1],公开征集将细胞系统作为活体材料的工程化设计工具和方法的技术设想和实现途径,藉此开辟建筑设计技术的全新蓝海。计划要求:①活体材料组件与传统建筑材料实现功能上的统一;②将材料结构特性赋予活体细胞系统;③从分子到细胞,拓展合成生物学构建单元。计划成果将包含一整套技术,使带有生物系统标志(如对外界环境的感知与反应、受损后自愈合等)的活体材料的生产及裁剪成为可能。计划将包括两个方向5个子课题。
方向一:复合活体材料工程设计。项目为期4年,目标是开发将活性细胞融入建筑支架材料中的新方法,使活体组织/细胞与结构颗粒/材料有机结合的复合结构材料拥有活体性质,材料制造方法应在工业标准下可规模化推广。与自然界中存在的活体结构材料(如木头和骨骼)类似,工程化活体复合材料中活体细胞所占比例并不需要太高,但是这部分活体细胞必须能够在服役环境中得到维护,并且活体细胞对最终产品的功能产生较大影响。
表1 复合活体材料工程设计的子课题和目标
子课题 |
关注内容 |
目标 |
子课题1 |
活体复合材料的现场快速生长和繁殖 |
使用生物学方法,利用廉价资源在非工厂环境下生长和繁殖活体复合结构材料 |
子课题2 |
活体复合材料的自组装结构 |
借鉴自然界中的生物案例(如昆虫具有的规则排列几丁质构成的高强重比外骨骼以及海绵在微观硅棒阵列上生长的生物玻璃等),利用生物学方法实现阵列结构的活体复合材料自组装 |
子课题3 |
活体复合材料的反应表面 |
利用生物学方法在活体复合建筑材料表面形成能够对环境做出反应的保护性外层结构(如皮肤和树皮),在受到伤害的情况下能够如同生物般自愈合 |
方向二:工程化活体材料设计。项目为期两年,目标是利用基因工程技术,为多细胞生物系统引入可设计的结构材料特性。与方向一面向具体建筑应用不同,方向二主要支持能回答如何将细胞组装成高等级结构以及如何探索在基因层面编码开发计划的新方法等问题的基础研究。
表2 工程化活体材料设计的子课题和目标
子课题 |
关注内容 |
目标 |
子课题1 |
规则图案设计 |
探索新的设计方法打造人工生物学多分子系统,利用基因型祖细胞精确地在规则图案上分裂生长 |
子课题2 |
外形设计 |
利用单一祖细胞分裂生长成特殊三维结构,以适应不同的建筑需求 |
(黄健)