随着材料科学与生物技术的不断融合，工程活体材料（Engineered Living Materials，简称ELMs）作为活细胞与非生物材料的创新复合体，正日益成为智能材料领域的研究热点。ELMs能够响应外部环境刺激，动态调节自身结构和性能，这为软机器人、环境传感器以及生物制造提供了全新的可能性。近日，结合温度响应性聚合物与光合蓝藻Synechococcus elongatus的创新研究，揭示了一种基于细胞外酶活性的响应性活体材料制备和性能调控新策略，吸引了学术界和产业界的高度关注。该研究不仅实现了细胞在含有细胞毒性前驱体的聚合物中的有效扩散和生长，还首次发现了蓝藻分泌的未被注释的外酶对材料力学性能的不可逆影响，推动了活体材料设计理念的深化和应用拓展。 传统的ELMs制备往往依赖于在高生物相容性聚合物前驱体溶液中混合活细胞，随后进行交联固化的方法，这种“混合一锅法”受限于前驱体的毒性，导致细胞存活率低，限制了活体材料的多样性和功能性。针对这一挑战，该研究创新提出通过温度调控水凝胶的吸胀和脱水行为，实现蓝藻细胞在聚合物成熟后的扩散嵌入，避免了细胞暴露于有毒单体的风险。
具体来说，采用含有纳米粘土修饰的聚N-异丙基丙烯酰胺（NC-PNIPAm）作为基体，这种水凝胶在室温下呈现亲水膨胀状态，而在超过临界相分离温度（LCST，约32摄氏度）后发生脱水收缩。利用该温度响应性特征，研究人员先对水凝胶进行脱水处理，再置于蓝藻培养液中于低温条件下使其膨胀，从而促进蓝藻细胞及其培养基渗透入水凝胶内部，形成生物活性复合体。 通过共聚焦荧光显微镜，研究人员观察到蓝藻细胞在水凝胶中的分布呈现出由表面向内部递减的梯度变化，细胞在近表面区域增殖最为旺盛，甚至形成层状结构。这种细胞密度分布与光穿透深度及气体交换效率紧密相关，显示出光合蓝藻在水凝胶基质中维持活性并自主增殖的能力，为活体材料的长期功能稳定性奠定基础。同时，实验还验证了除温度变化外，pH和培养环境的调控对细胞扩散及活性保持也起到一定辅助作用。重要的是，该扩散嵌入方法不仅限于NC-PNIPAm，还具有潜在的应用于其他含有细胞毒性单体、非温度响应性的聚合体系的推广价值。
细胞扩散及存活效应引发了材料宏观和微观性质的动态变化。在长期（28天）培养期间，含蓝藻的NC-PNIPAm材料表现出明显的形态变化，尤其是在膨胀和收缩状态下的弯曲曲率显著减小，而对照组仅含培养基的材料则曲率略有增加。该形态变化伴随着材料局部杨氏模量的显著下降，尤其是靠近表面区域。深入分析表明，这些不可逆的性能变化主要归因于蓝藻分泌了一种新发现的胞外酶—命名为AmiX的酰胺酶。该酶通过水解聚合物链上的酰胺键，导致聚合物部分降解并生成羧酸基团，改变了水凝胶的交联结构，降低了整体机械强度与弯曲刚度。 为明确酰胺酶的作用机制，研究团队克隆表达了编码AmiX的Synpcc7942_1548基因，并在大肠杆菌中纯化该蛋白质。
通过向NC-PNIPAm中扩散纯化蛋白，可重现蓝藻细胞处理后材料模量下降和曲率减小的现象。同时，利用基因插入突变体MM6（失去AmiX酶表达能力）的蓝藻培养物制备的活体材料则未出现显著降解和性能变化。进一步的红外光谱分析证明，经AmiX或蓝藻处理的聚合物样品产生了羧酸具有特征性的羟基弯曲峰，化学结构的变化为酰胺键的断裂提供了直接证据。此外，酶活性检测通过荧光染料NBD-Cl实现，显示AmiX能有效水解NIPAm单体，支持其在聚合物降解中的作用。 这一发现揭示了ELMs中微生物与合成材料的复杂互动，开辟了材料自我调节与响应性的新思路。在具备温度响应水凝胶可逆形态变化基础上，蓝藻通过分泌AmiX酰胺酶实现材料性质的不可逆演化，使活体材料具备时间维度上的功能进化特性。
这不仅丰富了ELMs的设计理念，也为开发能适应动态环境、具备自修复或环境感知能力的智能材料奠定基础。未来，通过基因工程手段调控AmiX表达或引入其他生物催化功能，有望设计出具备多重响应机制和更复杂形态变换能力的活体复合体系。 此外，基于蓝藻的光合代谢特性，相关材料还兼具可持续能源转化和污染降解潜力。作为一种能够利用光能合成有机物的微生物，Synechococcus elongatus在生态友好型活体材料开发中具有天然优势。催化环境污染物生物降解、实现材料自给能源供应以及智能反馈控制等功能的集成，为环境修复、生物传感器和软体机器人等领域带来广泛应用前景。 在实验方法方面，研究采用先进的3D打印技术制备高比表面积的薄片状NC-PNIPAm结构，既促进细胞扩散也利于营养物质和气体交换。
通过精准的温控实验设计，实现材料在临界温度附近的体积调控，为生物活性物质的载入和释放提供理论和实践支持。纳米压痕仪的应用帮助精确测量局部机械模量变化，结合红外光谱和生物化学酶活性分析，形成跨学科、多手段的综合研发体系。 总结来看，结合蓝藻细胞外酶活性揭示的响应性活体材料研究，开辟了一条利用生物催化实现合成材料动态自调控的创新路径。通过巧妙的温度响应性水凝胶设计与蓝藻生物功能的整合，不仅解决了前驱体毒性阻碍细胞嵌入的难题，更实现了材料性能的时间依赖性演化。该材料体系充分体现了活体材料领域未来的发展趋势，即生物材料界面功能化与智能结构动态调控的深度融合。展望未来，随着生物合成合成材料技术的进步，有望实现更复杂的生物物理共生系统，推动智能材料向更高阶的自适应、自修复和环境响应能力迈进。
这一前沿研究不仅为材料科学带来启示，也为合成生物学和环境工程等多领域交叉创新提供了新工具和新思路。活体响应性材料的突破将促进人类对自然生命系统设计智慧的借鉴与应用，推动可持续智能材料技术的持续发展，服务于未来绿色制造与人机智能交互需求。蓝藻驱动的酶催化响应新型生物复合材料，无疑将在智能生物制造与环境友好型材料创新领域掀起新的浪潮。
