《Advanced Engineering Materials》：Harnessing Fungal Biowelding for Constructing Mycelium-Engineered Materials
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针对建成环境中对低碳节能材料的迫切需求，由真菌菌丝在有机废弃物上生长形成的菌丝结合复合材料（mycelium-bound composites, MBCs）已成为石油基保温材料及刨花板的可持续替代品，并逐渐进入建筑市场。然而，MBCs表面粗糙且具有疏水性，在实
针对建成环境中对低碳节能材料的迫切需求，由真菌菌丝在有机废弃物上生长形成的菌丝结合复合材料（mycelium-bound composites, MBCs）已成为石油基保温材料及刨花板的可持续替代品，并逐渐进入建筑市场。然而，MBCs表面粗糙且具有疏水性，在实际安装中面临诸多挑战，如板间接缝处的热损失，以及与常规紧固件和胶黏剂的相容性受限。因此，亟需开发一种生物相容性胶黏剂以实现无缝组装。真菌生物焊接（fungal biowelding）是菌丝跨越界面生长并将材料黏结的天然能力，有望成为一种生物界面胶黏剂。本综述阐明了菌丝的界面黏合机制，探讨了生物焊接行为如何调控可持续材料及工程活体复合体系的制备。进一步讨论了优化菌丝介导黏附的未来策略，以及生物焊接作为生物胶黏剂在建筑与木材工业中的潜在应用。通过利用菌丝的适应性生长、界面黏合及生物降解特性，生物焊接为循环建造体系提供了一种可再生的胶黏剂解决方案。
1 引言
建筑业占全球CO2排放量的37%和能源消耗的36%，主要源于水泥、砖块、钢材等高能耗建材的生产以及供暖制冷等建筑运行活动。为降低全生命周期环境负荷，菌丝结合复合材料（MBCs）作为一类生物基材料被广泛研究。MBCs通过真菌生物过程将菌丝生长在有机废弃物上形成，最终产品可生物降解并堆肥处理。菌丝由丝状分枝的菌丝体构成，可在木质纤维素底物（通常为农林副产品）上生长，形成三维网状结构，将底物黏结成轻质泡沫状生物复合材料。相较于聚苯乙烯（EPS）和聚氨酯（PUR）等合成保温材料，MBCs具有优异的声学吸收性能（降噪系数NRC为0.4–0.53）、低热导率（<0.04 W/m·K），可使冬季运行能耗较主动供暖降低87.4%，且避免了挥发性有机化合物（VOCs）、甲醛等有害化学物质释放。其隐含能耗（860.3 MJ·m?3）显著低于EPS（2710–3565 MJ·m?3）和PUR（3030–8790 MJ·m?3）。然而，MBCs在实际应用中仍面临技术瓶颈：预制菌丝保温板拼接时易产生界面缝隙，导致热桥效应及湿气积聚引发的霉变风险；金属紧固件会引入局部热桥与应力集中，而传统水基胶黏剂难以润湿疏水的菌丝表面，聚苯乙烯类胶黏剂则存在化学危害与不可降解问题。真菌生物焊接通过菌丝自主生长填充空隙、黏结不规则表面及动态适应环境变化，为上述问题提供了独特解决方案。本研究将真菌生物焊接重新定义为更广泛的菌丝介导界面黏合类别，涵盖菌丝-木质纤维素界面与菌丝-菌丝界面两类相互作用，旨在推动生物学黏附机制向实用材料策略的转化。
2 生物焊接的基本定义与机制
生物焊接是一种自主生物黏结过程，利用生物材料的活性特性，在化学键较弱的组分间形成强界面。与依赖外部热或压力的金属焊接不同，生物焊接由生物体生长驱动，涉及界面处的化学反应、生物分子自组装及微观结构缠结。真菌生物焊接的核心在于菌丝作为生物界面胶黏剂的双重作用机制：其一为菌丝-木质纤维素界面相互作用，其二为菌丝-菌丝界面相互作用。
2.1 菌丝-木质纤维素界面相互作用
该过程是真菌菌丝定殖于木质纤维素生物质（如木材、秸秆、大麻）并通过机械互锁、酶促修饰及化学键合形成界面黏附的过程。在MBCs形成中，菌丝网络贯穿生物质颗粒或纤维，形成低密度复合材料；经热压处理后，其拉伸强度与刚度显著提升（密度0.35 g/cm3时，拉伸强度0.13 MPa，杨氏模量35 MPa，远高于未压样品）。研究人员通过宏观测试几何构型评估界面黏合性能，发现纯菌丝层作为中间层热压连接实木板材时，搭接剪切强度（1.11 MPa）与传统木工胶（1.72 MPa）相当。其黏附机制包含能量耗散策略：机械互锁方面，菌丝分泌酶类降解生物质细胞壁，穿透并形成嵌入式的三维菌丝网络，其中几丁质与β-葡聚糖构成细胞壁结构骨架；白腐真菌（如Pleurotus ostreatus、Ganoderma lucidum）优先降解木质素与半纤维素，保留纤维素以维持力学完整性。酶促修饰方面，木质素氧化酶产生的自由基可自发交联形成黏结剂，同时酶解作用增加底物细胞壁孔隙率，暴露更多纤维素微纤丝，促进菌丝穿透与机械互锁。化学键合方面，热压条件下，菌丝细胞壁外层的多糖与蛋白质通过氢键、范德华力及亚胺共价键实现界面结合，热量与压力促进木质素解聚、软化及小分子重分布，增加接触面积与分子间扩散。
2.2 菌丝-菌丝界面相互作用
该机制在纯菌丝材料（如菌丝膜、皮革、泡沫）及挤出式3D打印中发挥关键作用。菌丝生长依赖碳氮营养供给，通过顶端延伸、分枝及融合（anastomosis）形成互联网络。菌丝融合始于顶端分泌扩散信号，引导菌丝尖端相向生长，接触后分泌黏附物质并形成胞质流通孔道，增强网络内部连接。气生菌丝的生长则受疏水蛋白（hydrophobin）驱动，使其能脱离水相环境向外生长，同时底物呼吸积累的CO2也促进菌丝向外探索。菌丝细胞壁的组分决定黏结性能：骨架菌丝与联络菌丝因壁厚且实心，赋予材料更高弹性与抗变形能力；而薄壁中空的发生菌丝强度较低。几丁质与β-葡聚糖的共价交联进一步增强网络刚性。化学处理（如去蛋白、脱乙酰化、增塑及交联）可通过引入氢键或共价键提升纯菌丝材料的力学性能，例如甘油增塑可增加材料柔韧性，交联剂反应则提高结构稳定性。
3 生物焊接的性能与功能
生物焊接的功能随应用场景变化，其在材料制备的前产品阶段与后产品阶段表现出不同特性。前产品阶段涉及菌丝生长与材料成型，决定MBCs与纯菌丝材料的基础性能；后产品阶段则利用菌丝的活性特征实现智能响应。
3.1 前产品阶段的生物焊接
该阶段通过固态发酵或液态发酵调控菌丝生长，形成两类主要材料：MBCs与纯菌丝材料（PMMs）。
3.1.1 低密度复合泡沫
通过固态发酵制备，选用腐生白腐真菌（如Ganoderma、Pleurotus、Trametes属），以灭菌后的农林废弃物为底物，添加麦芽提取物等营养源，在控温控湿避光条件下培养7–28天，最后干燥灭活。底物纤维形态、粒径、营养浓度及通气条件显著影响菌丝定殖与材料性能：高密度菌丝网络可提升压缩与弯曲强度，而核心区域因缺氧导致的定殖不足是限制拉伸性能的主要因素（典型拉伸强度0.03–0.18 MPa，远低于单根菌丝的理论值24 MPa）。断裂韧性分析表明，密集菌丝网络内的内聚失效（而非界面脱粘）是高韧性的标志，菌丝拔出与纤维劈裂现象证明强机械互锁的存在。此类泡沫密度60–300 kg/m3，虽杨氏模量（0.14–13 MPa）低于玉米淀粉/玉米皮等天然纤维复合材料，但其低能耗制造工艺使其在保温、吸声、室内隔断等非结构或半结构应用中具备竞争力。
3.1.2 热压板材
对原生MBC泡沫进行热压处理（70°C–200°C，5–20 min），可显著提升材料刚性。热压通过减少孔隙、增加密度、促进木质素再聚合及氢键/酯化反应，使密度、弯曲强度与弯曲模量分别达到0.35–1.2 g/cm3、0.62–22.7 MPa与34–4300 MPa，接近低密度刨花板标准。温度与压力是关键参数：升高热压温度可显著提高棉秆-菌丝复合材料的内结合强度（从160°C时的0.05 MPa增至200°C时的0.18 MPa）。但当前研究对断裂行为与界面失效机制的解析仍不足，限制了热压MBCs对中密度纤维板（MDF）等传统产品的替代潜力。
3.1.3 挤出式3D打印
通过剪切变稀生物墨水（含壳聚糖、洋车前子壳、琼脂等流变改性剂）的挤出成型，实现复杂几何结构的可控制备。打印后固化阶段依赖生物焊接实现层间融合：菌丝在相邻打印层表面生长，桥接微小间隙，防止分层。生物墨水组成调控生物焊接模式：适宜的营养浓度可平衡菌丝的“探索-开发”行为，实现高局部密度与跨间隙生长；例如，Ganoderma lucidum倾向于沿打印结构轮廓生长，而Pleurotus ostreatus更易向外延伸。目前该技术受限于打印层数（通常<10 cm）与高度，因高含水率生物墨水延缓固化；添加氯化钙（CaCl2）交联藻酸盐可临时稳定结构，但浓度过高会抑制菌丝生长，亟需开发兼顾快速硬化与真菌活性的策略。
3.1.4 纯菌丝材料（PMMs）
通过固态表面发酵或液态发酵获得纯菌丝体，经干燥、化学处理与压制制成薄膜、皮革等产品。未经处理的PMMs拉伸强度通常<3 MPa，需通过后处理改善性能：物理方法包括湿度控制与致密化；化学方法涉及溶剂处理、增塑剂（如甘油、PEG）或交联剂添加，通过脱乙酰化、蛋白变性及交联反应提升力学性能。优化后PMMs的密度（240–800 kg/m3）、拉伸强度（~14 MPa）及断裂伸长率（57%）可与合成皮革媲美。为减少化学处理的环境影响，原位增强策略成为研究热点：例如，在纳米纤维素分散液中培养菌丝，使纤维素整合入细胞壁形成均匀纤维结构；或通过机械微纤维化解离菌丝纤维，再经再生网络生长获得高强度薄膜（拉伸强度达119 MPa）。PMMs的应用已拓展至柔性电子基板、细菌矿化支架等领域。
3.2 后产品阶段的生物焊接
该阶段利用存活菌丝的生物活性，实现传统胶黏剂不具备的动态功能。
3.2.1 对外界环境刺激的响应性生物传感
活菌丝网络可产生类似动物神经元的生物电信号，响应光、温度、pH、电场、机械载荷等刺激。例如，Ganoderma resinaceum菌丝皮对触觉与光学刺激表现出特异性电响应模式；Pleurotus ostreatus整合的大麻织物可感知化学与机械刺激，适用于智能穿戴。MBCs作为传感鞋垫可监测足底压力分布，菌丝薄膜还能响应湿度变化发生自形变。此外，菌丝电信号可被转化为布尔电路，用于控制机器人运动（如紫外光刺激加速菌丝电活动，进而提升机器人移动速度）。通过嵌入基因编辑细菌或金属纳米颗粒，还可构建能检测环境污染物（如木糖浓度）或具备压电能量收集功能的活体材料系统。
3.2.2 损伤修复的自愈合能力
菌丝顶端的厚垣孢子（chlamydospores）在干燥或低温（<40°C）条件下可长期休眠，遇适宜营养与湿度后萌发修复损伤。研究表明，干燥的纯菌丝皮革在麦芽浸膏培养基中3天即可恢复力学性能；受损MBCs在相对湿度>60%环境下自愈合后，弯曲模量与未损伤材料相当；添加活性菌丝与锯末可修复热压板材，甚至提升其抗压强度。3D打印菌丝水凝胶的自愈合区域在拉伸测试中表现出新断裂位点，证明愈合界面的可靠性。
3.2.3 面向可扩展建筑制造的自融合能力
生物焊接可作为天然胶黏剂实现模块化组装，将离散MBC构件融合为米级整体结构。界面添加营养源（如麦麸）可提升焊接强度，融合过程通常需5–14天，最终通过干燥终止活性。典型案例包括Mycelium Mockup、Living Bricks等项目，展示了自融合构建拱形结构的能力。针对厚块（>150 mm）内部生长不均的问题，可采用预生长薄板拼接策略，获得均匀定殖的大型砌块。此外，生物焊接还支持折叠结构设计，通过菌丝在折叠区形成柔性连接，实现折纸式动态装配。
4 促进可持续工业的潜在应用
生物焊接在建筑与木材工业中具备显著应用潜力。MBCs的隐含能耗仅为传统建材的1/6–1/1.5，且具负碳排放特性（?39.5 kg CO2eq/m3），可实现全生命周期循环。
4.1 木材复合材料胶黏剂
传统木材复合材料依赖脲醛、酚醛树脂等合成胶黏剂，存在甲醛释放与难降解问题。真菌生物焊接通过自然生长实现木质纤维素黏结，无需复杂预处理，且耐水性优于蛋白/淀粉基胶黏剂。热压处理后的MBCs性能接近低密度刨花板，可作为室内装饰层替代材料；在多孔木质纤维支架中生长菌丝，还可制备轻质保温板材，其热导率（0.03–0.05 W/m·K）满足建筑节能需求。
4.2 建筑施工接缝密封胶黏剂
聚氨酯（PUR）密封胶不可回收且依赖石化资源。纯菌丝层作为木材胶黏剂时，热压搭接强度与传统木工胶相当且耐水性更优；挤出式菌丝生物墨水可黏结木材-PLA打印构件；添加洋车前子壳的喷雾式菌丝复合材料可垂直施工，适用于门窗缝隙填充等场景。
4.3 智能活体建筑系统胶黏剂
活菌丝的阻抗变化与脉冲电活动使其成为环境传感器与计算介质。脱水后可保存菌丝的记忆阻变特性，复水后恢复活性，有望集成于建筑面板中，将湿度、污染物或机械载荷变化转化为特征电信号，实现建筑系统的智能监测。
5 生物焊接的挑战与未来方向
当前研究面临三大核心挑战：其一，微观黏合机制认知不足，生物学过程与宏观力学性能的关联尚未明确，需深入解析界面化学键合、生物分子组装与微观结构对黏附的贡献；其二，三维基质内菌丝网络分布不均，表面富集而核心定殖不足，限制了材料整体性。借鉴组织工程中的多孔支架技术，采用牺牲模板法（如CaCO3颗粒、明胶微球）构建互联孔隙结构，可促进氧气与营养传输，实现菌丝的均匀生长；其三，施工集成难度大，需解决非无菌环境下的污染控制、生物安全性评估及现场施工工艺标准化问题，推动实验室成果向实际工程转化。
6 结论
真菌生物焊接是菌丝跨越界面生长并实现材料黏结的天然能力，本研究将其确立为菌丝工程材料的核心界面黏合机制。主要结论包括：生物焊接通过菌丝-木质纤维素与菌丝-菌丝两类界面作用，由微生物生理、机械互锁、酶促修饰与化学键合共同驱动；其性能直接决定低密度复合材料、热压板材、3D打印复合材料及纯菌丝材料的宏观力学性能，菌丝网络的连续性、密度与空间分布是控制因素；生物焊接赋予材料自传感、自愈合与自融合等活体功能，结合功能添加剂可拓展至生物膜、柔性电子等动态响应材料；当前制备工艺导致的表面定殖局限需通过界面设计优化，构建互联大孔支架以促进三维均匀菌丝生长，提升材料整体性能与建造适用性。生物焊接为循环建造体系提供了一种可再生、低能耗的胶黏剂解决方案，具有广阔的应用前景。
