《Heliyon》：Carbon capture through 3D bioprinting and in situ biomineralization: investigation of physical and mechanical properties
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本研究针对全球CO2减排需求，开发了一种通过3D生物打印和微生物原位生物矿化的新型碳捕获策略。研究人员利用Sporosarcina pasteurii细菌产生的碳酸酐酶(CA)，构建了可捕获CO2的活性生物墨水(bactoink)，在无尿素条件下将CO2转化为CaCO3。结果表明，该方法可使打印构件在2天内达到8.6 MPa的抗压强度，并通过SEM、XRD、TGA和Raman分析证实了vaterite晶型的碳酸钙沉淀。该技术为可持续碳捕获提供了新途径，在建筑工程和生物医学领域具有应用前景。
随着全球二氧化碳排放量在2024年突破410亿吨大关，气候变化已成为当今世界最严峻的环境挑战之一。传统的碳捕获与利用(CCU)技术往往存在高能耗、产生有害副产物等局限性，而自然界中微生物介导的碳循环过程为开发可持续解决方案提供了灵感。特别是微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术，通过细菌代谢将CO2转化为碳酸钙矿物，既实现了碳封存，又能增强材料力学性能。然而，常规MICP技术依赖尿素水解途径，会产生铵离子等副产物，限制了其环境友好性。
在此背景下，一项发表于《Heliyon》的研究提出了一种创新方法：将3D生物打印技术与微生物原位生物矿化相结合，开发能够直接捕获CO2的活性建筑材料。这项研究摒弃了传统的尿素水解途径，转而利用细菌自身的碳酸酐酶(CA)催化CO2水合反应，实现了真正的"负排放"材料制备。
研究人员采用羧甲基纤维素(CMC)和藻酸盐复合水凝胶作为生物墨水基质，嵌入能够产生碳酸酐酶的Sporosarcina pasteurii细菌，制备成活性生物墨水(bactoink)。通过优化打印参数和矿化条件，系统评估了打印构件的物理性能和力学特性。关键技术方法包括：流变学特性分析、扫描电子显微镜(SEM)成像、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、拉曼光谱以及微计算机断层扫描(μCT)等表征手段。
3.1 生物钙化验证
研究人员通过实验证实了Sporosarcina pasteurii细菌能够通过碳酸酐酶途径直接将CO2转化为碳酸钙。实验设置显示，即使在无尿素条件下，通过CO2注入也能产生附着在细菌表面的生物源性碳酸钙，证明了该菌株具有固有的生物钙化能力。
3.3 生物墨水特性
流变学表征显示，优化后的CMC-藻酸盐配方(7:7比例)表现出显著的剪切稀化行为，适合3D打印应用。含有细菌的生物墨水(bactoink)在静态条件下具有更高粘度，有利于形状保持，而在剪切条件下粘度降低，便于挤出打印。
3.4 CO2暴露3D生物打印构件的表征
SEM图像显示，随着矿化时间延长，碳酸钙沉淀量显著增加，从第一天的分散分布到第二天完全覆盖表面。EDS分析表明钙元素重量百分比从7%增加到17%，证实了细菌活性的持续进行。
XRD和Raman分析共同证实了碳酸钙以vaterite晶型存在，这是在中度碱性环境中形成的亚稳态多晶型。第二天样品的衍射峰强度比第一天增强3.64倍，平均晶粒尺寸约为21纳米。
TGA分析揭示了三个明显的失重阶段：水凝胶基质分解(25-350°C)、vaterite向方解石转变(395-540°C)以及方解石分解(600-900°C)。计算得出的碳酸钙含量从第一天的11.06%增加到第二天的12.88%。
力学测试结果显示，矿化后的构件抗压强度显著提高，第一天样品最高达到17.2 MPa，第二天样品为8.6 MPa。μCT分析表明，随着矿化进行，微观孔隙率从37.83%增加到42.49%，这解释了强度变化的原因。
定量分析表明，CO2封存容量从第一天的5.46 mmol/g增加到第二天的7.36 mmol/g，显示出良好的碳捕获效率。与金属有机框架(MOFs)等传统吸附材料相比，该方法在环境条件下实现了优异的性能，且成本更低。
研究结论表明，这种基于3D生物打印和原位生物矿化的碳捕获策略成功地将CO2转化为具有结构功能的碳酸钙矿物。该方法不仅避免了尿素水解途径的有害副产物，而且制备的构件力学性能适用于生物医学和建筑工程领域。特别是其快速的强度发展(一天内可达17.2 MPa)和可调控的矿化过程，为可持续建筑材料的设计提供了新思路。
这项研究的重要意义在于开创了"活性材料"制造的新范式，将微生物的代谢功能与先进制造技术相结合，实现了材料制备过程中的碳负排放。相比传统的酶提取方法，直接使用细菌细胞不仅降低了成本，还提供了更多的成核位点，提高了矿化效率。此外，该技术可扩展至地外建造等极端环境应用，展现出广阔的应用前景。
未来研究方向包括优化细菌空间分布、控制矿化速度、增强长期耐久性，以及在实际环境条件下验证性能。通过基因工程手段增强细菌的碳酸酐酶表达水平，有望进一步提高CO2捕获效率，推动该技术向工业化应用发展。
