薄的细菌涂层的纤维可能会导致自修复混凝土填充自身的裂缝

有人说混凝土有两种类型——开裂的和处于开裂边缘的混凝土。但如果混凝土开裂后能够自行愈合呢?

我们是材料科学家和微生物学家团队的一员，该团队利用细菌的力量来制造生物纤维，初步结果表明可以治愈混凝土裂缝。我们正在研究一项技术，如果我们解决了问题并有一天成功地将其推向市场，就可以延长混凝土的使用寿命。

混凝土开裂

想象一下一座暴露在雪、雨、温度变化和装载重物的卡车下的桥梁。桥梁上的混凝土会因应力和磨损而逐渐产生裂缝。随着时间的推移，这些裂缝会扩大，使水和腐蚀性物质进一步渗透到混凝土中，从而削弱混凝土的强度。

在某些时候，地方当局必须支付维修费用，这不仅费用昂贵，而且还会扰乱交通并耗尽公共资源。

现在，考虑一位从重伤中恢复的病人。当患者的细胞识别出损伤时，它们会释放微小的治疗剂——就像微观修复人员一样。这些药物针对受伤部位，修复组织并恢复细胞功能。如果混凝土具有与人体组织相同的自愈能力会怎么样?

自愈混凝土

我们德雷塞尔大学先进基础设施材料实验室的团队受到人体自愈组织的启发。我们开发了一种混凝土添加剂，称为生物纤维。

生物纤维具有三个基本功能：它可以自行愈合，它可以阻止裂缝扩大，并且当没有任何裂缝时它在混凝土内部保持完整。

每个生物纤维都具有三个关键组件：由聚乙烯醇聚合物制成的坚韧核心纤维、注入球形赖氨酸芽孢杆菌细菌的多孔水凝胶层以及损伤响应外壳。当生物纤维出现裂缝时，其外壳会破裂，并将细菌释放到裂缝中，从而开始自我修复过程。

生物纤维中坚固的核心纤维可以桥接裂缝，并阻止它们在愈合过程中变宽。

水凝胶层围绕核心纤维，由分子水平的聚合物链网组成，可吸引水。它们的海绵状结构可以吸收并容纳大量的水。在生产过程中，我们添加钙来帮助水凝胶凝固。

水凝胶本身由海藻中发现的一种称为藻酸盐的天然聚合物组成，它具有特殊的性质，可以捕获细菌。海藻酸盐无毒，对于药物输送和组织工程等生物医学应用来说甚至是安全的。

水凝胶中含有内生孢子，内生孢子是休眠的细菌。一旦外壳破裂，内生孢子从休眠状态唤醒，它们就会促进自我修复。

激活生物纤维

内生孢子需要水来激活。幸运的是，中间的水凝胶层吸水性很好。当混凝土破裂，雨水、湿气或街道径流渗入时，孢子就会苏醒。

孢子吸收我们专门添加到混凝土混合物中的碳以及混凝土本身中的钙。利用这些材料，细菌促进了一种称为微生物诱导碳酸钙沉淀(MICCP)的化学反应。这种反应会产生碳酸钙晶体，它会堆积并填充混凝土的裂缝。

晶体形状各异，从球形到针形，每种形状都足够坚固，可以治愈裂缝。我们可以通过改变pH值、钙源和细菌类型来改变细菌产生的晶体类型。

混凝土就像一种坚固、坚韧的物质，因为它是水泥、沙子、砾石和水的混合物。我们将生物纤维放入混合物中，并在混凝土混合时将其展开，确保它们均匀分布在混合物中。

一旦自我修复过程结束并且细菌死亡，激活的生物纤维就完成了——它无法再愈合了。但由于混凝土中分布着许多生物纤维，另一种纤维可以修补下一个裂缝。目前，我们不知道生物纤维混凝土可以修复多少裂缝，我们正在进行更多研究来找出答案。

为了喂养细菌，我们添加了细菌生存和修复裂缝所需的食物量，具体取决于我们预计它们需要修复的裂缝数量。当细菌耗尽食物时，这个过程就会停止。在愈合过程中，细菌可以存活大约几周。

虽然生物纤维显示出了初步的前景，但它确实存在缺陷，这可能使其大规模生产面临挑战。制造工艺和使用的材料是专门的，并不总是经济实惠且实用。虽然我们的首次测试表明生物纤维可以延长混凝土的使用寿命，但我们需要更多的测试(包括现场试验)来验证这些早期结果。

我们希望最终能够以更大的生产规模商业化和制造这种纤维，同时我们继续进行测试并研究如何提高生物纤维的自愈能力。我们希望有一天将这些纤维应用到道路和人行道上，以防止老化混凝土开裂。