美國科學家研發細菌纖維素新材料 可望替代石油基塑料

萊斯大學與休斯頓大學的科學家們已開發出一種以細菌纖維素為基礎的材料，該材料具備機械及功能性特性，可能成為石油衍生塑膠在製造應用中的可行替代品。這項研究由兩所機構發表，描述了一種工程活細菌以生產可調強度、靈活性及多功能性的纖維素結構的方法，這些特性在生物基材料中歷來難以實現。

細菌纖維素是一種由特定細菌株合成的多醣類，最著名的為 Komagataeibacter xylinus。與植物來源的纖維素不同，細菌變體是以純淨、高度結晶的納米纖維網絡生產，無木質素及半纖維素，使其在納米級別上具備異常高的抗拉強度與重量比。萊斯大學與休斯頓大學的團隊開發了一種製造過程，控制這些納米纖維在細菌生長過程中的取向與組裝。通過指導纖維的排列，研究人員可以將特定的機械響應編程進入最終材料中——在一個方向上保持剛性，另一個方向上則具有靈活性，而無需依賴合成聚合物添加劑。

細菌纖維素材料在功能性上的多樣性

所得到的複合材料被描述為多功能的：根據在合成過程中引入的物質，該材料可以變得導電、光學透明或具抗菌性。這種適應性使其與工程聚合物如 ABS 或聚碳酸酯相提並論，這些聚合物的價值正是因其可調整的特性適用於特定應用。

當前塑膠所解決的限制傳統塑膠主導製造行業，因其成本低、輕便、耐化學腐蝕且可大規模加工。理論上，細菌纖維素可以解決前三個問題，但可擴展且具成本競爭力的生產仍然是一個未解的工程問題。細菌纖維素在液體培養中生長，這意味著產出量受到發酵槽大小及細菌產量的限制。要將該過程擴展到工業塑膠生產所運作的數百萬公噸年產量，將需要大量的生物反應器基礎設施或細菌生產力的重大突破，而目前的研究尚未聲稱解決這些問題。

此外，該材料比大多數商品塑膠更易吸收水分，這可能會在潮濕環境中改變其機械性能。研究人員尚未展示可與工程塑膠在工業採用前所需的數十年耐久性測試相媲美的長期性能數據。

細菌纖維素材料的應用潛力與挑戰

材料可能首先進入製造的更直接應用路徑可能是在專業或高價值領域，而非大宗商品的替代。電子包裝、生物醫療設備及柔性傳感器等領域，該材料的可調性及生物相容性可能會使其在目前產量水平下的較高生產成本變得合理。生物基材料開發過去曾遵循此路徑，早期材料科學的突破通常會在性能需求超越成本敏感度的利基應用中找到其首個商業立足點，隨著製造技術的進步，成本也會降低，促進更廣泛的採用。

萊斯大學與休斯頓大學的研究增添了針對通過生物合成路徑替代塑膠的結構替代品的研究成果。其他團隊已追求蜘蛛絲蛋白、菌絲體複合材料及由細菌生產的聚羥基脂肪酸酯（PHAs）——這些可生物降解的聚酯，並取得不同程度的商業成功。這項研究中區別細菌纖維素方法的特點在於，在製造階段展示的結構可編程性，而非通過後處理來實現。未來研究的下一階段將需要回答這一優勢是否能轉化為可在工業規模下製造的產品。