用于火星低能耗建造的工程化活体建筑材料

《Chem Circularity》：Engineered living building material for low-energy construction on Mars

　　

外星建造受限于有限的发射质量和可用的处理能力，尤其是对于需要高温处理本地矿物的技术方案。在此，研究人员研究了一种互补的、可能更低能耗的路径，其中一种混合明胶/工程化酵母粘合剂在低温和低压条件下固结颗粒材料并硬化。在实验室尺度上，所得材料表现出可测量的力学强度，可在选定的火星相关条件下进行挤出打印，并在多次再制造循环中保持其力学性能。实际实施将需要更强、全生物的粘合剂；完整的质量和能量核算；长期材料表征；以及与保压膜、资源回收系统、自主机器人和行星保护策略的集成。当前优化配方依赖于地球来源的猪皮明胶和外部供给的微生物营养物，尽管无明胶配方展示了减少这些进口输入的潜在途径。更广泛地说，该材料概念可能为外星栖息地以及寒冷、偏远或资源受限的地球环境的低温、可再制造建造策略提供参考。然而，辐射耐受性、直接拉伸行为、渗透性、导热系数、长期耐久性、全尺寸制造和闭环资源回收仍有待建立。此前研究的外星建造技术涉及对月球或火星矿物进行热处理以形成建筑材料，导致巨大的能量和设备需求。活体建筑材料提供了一条节能的生物合成途径，但在外星低气压和低温条件下制造具有挑战性。在此，研究人员在模拟火星条件（0.01 atm和?30°C）下，通过将惰性砂和混合明胶/工程化酵母粘合剂打印成缩小比例的建筑，展示了火星活体建筑材料（MLBM）的实验室尺度可行性；硬化材料实现了约12和6 MPa的平均抗压和抗弯强度，在定义的处理边界内，估计制造能耗比代表性热处理路线低一到两个数量级，并在多次再制造循环中保持力学性能。这些性质源于低压促进的微结构和经工程化以产生粘附性生物聚合物的酵母。这项工作展示了生物制造在未来外星建造中的潜力。

火星活体建筑材料（MLBM）研究解读

一、研究背景与意义

在火星上建造可居住结构面临严峻的工程挑战，包括极端环境约束、资源稀缺和严重的能源限制。火星拥有极冷且接近真空的大气环境（?150°C至20°C，0.006–0.01 atm）。尽管风化层（regolith）和H₂O冰在当地储量丰富，但利用外星建造（ETC）技术将其转化为结构部件仍然能耗巨大。目前提出的大多数ETC路线主要依赖高温热化学过程（>1,000°C），如烧结风化层形成承重部件，或将其煅烧成胶凝粘合剂，这些方法所需的功率和设备难以通过火箭可运输系统扩展。材料级估算表明，高温风化层处理在任务限制的能源供应下可能带来巨大的功率和处理时间需求。因此，探索在较低温度下运行并利用当地环境条件的互补制造路线十分必要。

工程化活体材料（ELMs）利用微生物细胞作为自主微型工厂，以高能效合成构建单元，为ETC提供了互补解决方案。尽管ELMs主要用于生物医学应用，目前正被探索用于建造领域，包括活体建筑材料（LBMs）。然而，LBMs在火星低温低压条件下的可建造性和结构完整性在很大程度上仍未得到验证。这是因为在这种极端环境中，LBMs的固化受水系统的相变（H₂O的冻结和升华）和化学过程（生物合成聚合物的交联）共同控制。固化过程可改变孔隙结构和网络连通性，从而影响LBM性能。冰核蛋白和抗冻蛋白等生物先例——它们调节冰的成核和生长以在冷冻条件下生存——促使研究人员不仅将生物组分工程化为粘合剂，还将其作为调节环境冻结过程中微观结构演化的调节器。

二、研究内容与主要结论

研究人员报告了一种火星活体建筑材料（MLBM），使用水基混合明胶/工程化酵母水凝胶粘合剂粘合惰性颗粒，并在低温和低压下自然硬化。该生物水凝胶利用广泛使用的AGA1/AGA2酵母表面展示系统来编程粘合剂功能。研究人员选择酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为宿主，因其遗传可操作性、成熟的表面展示工具包和稳健的异源蛋白质折叠能力。研究人员对酵母进行基因工程改造，使其表面展示AGA2以及共价SpyTag/SpyCatcher对以增强细胞间内聚力，并展示贻贝足蛋白（MFPs）以增强凝胶-骨料界面粘合。研究发现，包含展示AGA2的酵母与更均匀且高度连接的凝胶支架相关。这种生物介导的结构细化使抗压强度比非生物对照提高了170%，按地球供应成分质量归一化的比抗压强度达到500 kN?m/kg。关键的是，MLBM制造所需的材料级加工能耗估计约为0.02–0.12 GJ/m3，比风化层烧结低数十倍。

MLBM在火星上的实施设计为四步过程：（1）在加压、隔热的生物反应器中利用原位冰中收获的水生产生物合成水溶胶粘合剂；（2）与当地骨料混合形成新鲜MLBM；（3）基于挤出的增材制造打印结构构件；（4）暴露于外部火星环境进行脱水驱动的固化和硬化。研究人员通过在模拟火星环境（0.01 atm和?30°C）中打印缩小比例的灯塔结构证明了该过程的可行性。此外，MLBM可通过至少四代循环回收而不显著损失力学性能或微生物活力，支持在火星相关约束下实现节能和可再生的可扩展建造途径。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：酵母表面展示系统（AGA1/AGA2系统）用于在酿酒酵母表面展示功能蛋白；基因工程改造酵母菌株（包括展示AGA2、SpyTag/SpyCatcher共价结合对和贻贝足蛋白MFP的系列菌株）；模拟火星环境的冻干固化工艺（?55°C和0.0001 atm条件下48小时）；挤出式3D打印技术（在环境舱中模拟?30°C和0.01 atm的火星条件）；X射线计算机断层扫描（X-CT）和压汞孔隙率测定法（MIP）用于微观结构表征；多尺度离散元法（DEM）数值模拟和有限元法（FEM）结构分析。

四、研究结果

极端环境辅助的MLBM制造

研究人员将含基因工程酵母和人工明胶水溶胶的液体溶胶与惰性砂粒混合，在环境条件下短暂定型后，通过模拟火星环境的冻干固化形成硬化建筑材料。微观结构演化显示，混合粘合剂在骨料间形成颗粒间桥接，部分微生物细胞因展示蛋白（尤其是MFP）的粘附特性而积聚在骨料上。冻干过程中水的相变促进粘合剂通过明胶聚合物交联形成多孔颗粒间连接。

MLBM的力学性能和微观结构

通过单轴压缩试验（10 mm立方体试件）和三点弯曲试验（40 × 10 × 10 mm3梁试件），优化后的混合MLBM实现了约12 MPa的平均抗压强度和约480 MPa的弹性模量，抗弯强度达到约6 MPa，抗弯韧性（断裂前能量吸收能力）达到约16 kJ/m3。与密度相近（约1,300 kg/m3）的轻质波特兰水泥混凝土（LPCC）相比，MLBM在压缩下表现出更低的弹性模量和强度但显著更高的塑性；在弯曲下表现出显著更高的抗弯强度和韧性。按地球供应成分质量归一化，MLBM实现了高达500 kN?m/kg的比抗压强度和180 kN?m/kg的比抗弯强度。

生物合成对MLBM性能的影响

研究人员变化生物组分在总固体物质中的比例（w_bio = 0%、25%、50%、75%和100%）。结果表明生物和化学组分之间存在协同效应。纯MLBM（w_bio = 100%）的力学性能显著低于基准水凝胶混凝土（HBC）（w_bio = 0%），但混合MLBM表现出相当或更优的性能。最优性能出现在w_bio = 25%时，使用工程化酵母菌株ScA-M，抗压强度达12 MPa，弹性模量480 MPa，分别比基准HBC提高170%和180%；抗弯强度6 MPa，韧性约16 kJ/m3，分别提高180%和150%。微观结构分析显示，低w_bio（如25%）时明胶形成连续致密骨架，酵母细胞均匀嵌入孔壁中，作为有效微增强体。

基因工程对MLBM生物增强的影响

工程化酵母菌株分为三组：Sc（仅展示AGA2）、ScX（引入SpyTag/SpyCatcher系统）和ScX-M（进一步引入MFP）。在高w_bio（100%和75%）的酵母主导区域，力学性能紧密跟踪工程设计：AGA2的引入显著提高力学性能，SpyTag或SpyCatcher的额外引入略微提高抗压强度和模量，MFP的插入进一步增强。在中等和低w_bio（50%和25%）的明胶主导区域，AGA2的引入通过建立稳健的粘合剂-骨料界面粘合带来显著增强，但SpyTag、SpyCatcher和MFP域仅提供可忽略的额外改善。通过顺序混合方法将工程化细胞精确定位在骨料-粘合剂界面，也显著提高了抗压强度。

生物增强MLBM微观结构的力学机制

研究人员设计微观尺度实验直接探测颗粒间连接的行为。X-CT和MIP分析显示，明胶连接（w_bio = 0%）含有尺寸跨越三个数量级（100 nm至100 μm）的多分散孔隙；而酵母细胞（尤其是工程化菌株）的加入创造了更均匀且高度连接的细化孔隙网络。展示AGA2的菌株实现最佳均匀性，孔隙集中在约5 μm。AlphaFold预测表明AGA2采用富含β折叠的构象，结构上类似于调节冰结晶的抗冻蛋白（AFPs），可能通过充当成核位点调节局部冰成核和生长，防止形成大而不规则的孔隙。轴向拉伸试验显示，所有工程化菌株显著提高连接的拉伸强度和模量，且失效模式从界面脱粘转变为连接本体断裂，证明基因工程强化了连接-颗粒界面。多尺度DEM模型预测的压缩应力-应变响应和主导失效模式与实验观察基本一致。

外星环境中的MLBM可建造性

通过压痕试验确定最佳可打印温度范围（25°C–40°C）。在环境舱中进行的打印试验表明，在火星类似条件（0.01 atm和?30°C）下成功打印了缩小比例的灯塔结构（h = 45 mm，d = 30 mm），结构完整性优于较温和条件（0.05 atm和20°C），这归因于较低温度抑制了快速沸腾。有限元分析表明，在代表性重力和风荷载下，计算应力低于MLBM的实测强度；施加内部大气压101,325 Pa和外部火星压力600 Pa后，最大主应力增加至约1.0 MPa，低于MLBM的实测抗弯强度（约6 MPa），表明若由内部密封膜提供气密性，外部MLBM壳体可在模拟压力荷载条件下提供结构支撑。

极端低温和低压服役后MLBM的可回收性

研究人员通过两种方式回收MLBM：（1）完全热回收MLBM（凝胶和砂）；（2）从冻干生物凝胶中回收酵母细胞并用于制造新MLBM。结果表明两种回收方法均保持力学性能和细胞活力。子代MLBM砖通过至少第四代仍保持弹性模量（430 MPa）、抗压强度（11.8 MPa）和细胞活力。这表明粘合剂在热处理过程中经历可逆的溶胶-凝胶转变，允许在后续冻干中有效重新交联。MLBM不仅是一种可重复使用的建筑材料，也是一种可保护微生物细胞免受极端环境机械应力影响的培养基质。

五、讨论与结论

MLBM与烧结风化层等ETC技术相比，材料级加工能耗降低数十倍。MLBM制造需要约0.02–0.12 GJ/m3的能量，而烧结通常需要将矿物原料加热至1,000°C以上。在火星约200 W/m2的太阳辐照下，生产1 m3 MLBM所需时间不到1小时，而烧结需要数天至数月。MLBM还避免了水泥基粘合剂固化所需温湿度调节的后勤挑战，且失效构件可在温和温度下重新溶解以制造新构件。

MLBM展示了多项循环性特征，包括通过四次再制造循环重复使用骨料和含粘合剂复合材料，以及微生物细胞的后加工活性和再培养。然而，水补充、营养需求、材料损失、废物流管理和粘合剂的长期降解与回收效率尚未量化。优化配方依赖商业猪皮明胶这一地球输入，但无明胶配方成功固结骨料并发展出可测量强度，表明明胶并非材料形成的根本必要条件。这提出两条互补发展路径：保留和回收有限明胶部分以最大化近期力学性能，以及强化全生物网络以消除动物源性聚合物输入。

ETC是系统级工程挑战而非单一材料替代问题。实际的火星栖息地必须整合压力保持、气密性、机械支撑、热调节、辐射屏蔽、防尘、可修复性和资源回收。MLBM最好被视为可打印且机械可回收的原位结构组件，用于未来集成ETC系统，而非完整的气密、保压或辐射屏蔽栖息地外壳。未来工作必须解决大规模制造的工程挑战，包括额外力学测试、渗透性测试和压力保持评估，以进行完整结构鉴定和在火星环境应力全谱下的长期耐久性评估。本研究为ELMs作为潜在更低能耗和可再制造ETC组件的发展提供了实验室尺度基础。该论文发表在《Chem Circularity》期刊上。