(Can Bacteria Make Stronger Armor, Cars and Airplanes?)
2021/2/19 ｱﾒﾘｶ合衆国・南カリフォルニア大学(USC)
・ USC が、生きた細菌を利用した、強靱、高耐久性で自己成長するバイオニックな工業材料を作製する技術を開発。
・ 自然界には、強靱で耐破壊性を付与する高度な微細構造を有する真珠層や軟体動物の殻等の無機化複合物質合が存在する。生きた細胞を利用して、人工的な合成が不可能な自然のこのような微細構造を直接作製する。
・ 時間やエネルギーを節約する細菌の独自のインテリジェンスを活用することで、合成材料を超える優れた特性を備えたハイブリッド材料の設計が可能となる。ビールを造る酵母をはじめ生産工場としての微生物利用には長い歴史があるが、工業材料の製造に微生物を利用する研究は少ない。
・ 本研究では、酵素のウレアーゼを分泌する S. パステウリを利用。ウレアーゼは、尿素とカルシウムイオンに晒されることで炭酸カルシウムを生成する。炭酸カルシムは骨や歯を構成する強靱な無機鉱物。
・ 本研究の主要なイノベーションは、生きた細菌に炭酸カルシウムを合成させて、自然の複合物に類似した規則的な微細構造を構築すること。生きた細菌と合成材料を組合せ、従来の天然・合成の両材料を超える機械的特性を有する新バイオニック工業材料を作製した。
・ 新材料のこのような特性は、主にそのブーリガンド構造（無機物の多数の層が多様な角度で重なり合ったらせん形状）によるもの。同構造の人工的な合成は難しい。
・ 各格子層が多様な角度で重なった、ポリマーの格子構造によるらせん形状の足場を 3D プリント作製し、これに細菌を導入。細菌は格子構造に定着してウレアーゼを分泌し、炭酸カルシム結晶が形成される。同結晶は表面で成長し、最終的には格子構造の全空間を満たす。多孔質を好む細菌により、無機物の多様なパターンの作製が可能となる。
・ 新材料は、天然材料に匹敵する強度と耐破壊性に加え、天然・合成材料を超えるエネルギー吸収力を提示。航空機のパネル、自動車のフレームや、比較的軽量のため防具等での利用が考えられる。また、材料損傷時に細菌を再導入することで修復も可能。
・ 本研究には、米国空軍研究所(AFOSR)および米国立科学財団(NSF)が資金を提供した。
URL: https://viterbischool.usc.edu/news/2021/02/can-bacteria-make-stronger-armor-cars-and-airplanes/
＜NEDO海外技術情報より＞
（関連情報)
Advanced Materials 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
Growing Living Composites with Ordered Microstructures and Exceptional Mechanical Properties
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006946
Abstract
Living creatures are continuous sources of inspiration for designing synthetic materials. However, living creatures are typically different from synthetic materials because the former consist of living cells to support their growth and regeneration. Although natural systems can grow materials with sophisticated microstructures, how to harness living cells to grow materials with predesigned microstructures in engineering systems remains largely elusive. Here, an attempt to exploit living bacteria and 3D‐printed materials to grow bionic mineralized composites with ordered microstructures is reported. The bionic composites exhibit outstanding specific strength and fracture toughness, which are comparable to natural composites, and exceptional energy absorption capability superior to both natural and artificial counterparts. This report opens the door for 3D‐architectured hybrid synthetic–living materials with living ordered microstructures and exceptional properties.
