3Dバイオセメント印刷：生きた鉱物構造のスケールアップ

有用な微生物とともに建てる

コンクリートは現代の都市を可能にしてきましたが、セメント製造は大量の二酸化炭素を排出するため大きな気候負荷を伴います。本研究は、常温で石のような鉱物を培養する生きた細菌を使う、まったく異なる種類の「セメント」を検討し、この生素材を3D印刷で建築的に有用な形状へ成形できることを示します。

コンクリート印刷から生きた石へ

近年、ロボットや3Dプリンターはコンクリートを層状に押し出して建物を造るようになり、従来の型枠なしで複雑な形状を実現できるようになりました。しかしこれらのシステムは依然としてセメントに頼っており、セメントは世界的なCO₂排出の主要因の一つです。また、印刷された部材は層間接着が弱いことが多い。著者らは、3D印刷の幾何的自由度と自動化を保ちつつ、微生物によって低エネルギーで育成される鉱物結合材にセメントを置き換えられないかと問いかけます。彼らは、特定の細菌が石灰石や貝殻に含まれるのと同じ鉱物である炭酸カルシウムの生成を誘導し、砂粒を接着するプロセスを基にしています。

印刷可能な生きた「インク」

この考えを実用化するため、チームは濃厚なペーストのように振る舞いながらも細菌を生かしておくことができる印刷用「バイオインク」を設計しました。インクは構造用の砂粒、全体を保持するための一般的な天然高分子から作られた軟質ゲル、印刷時の流動性を微調整する薄板状の微粒子を組み合わせています。顕微鏡観察では、細菌は均一に分散し、後で鉱物を含む浴中に浸した際にもゲル内に閉じ込められたままであることが示されました。配合を調整することで、インクの押し出しやすさや堆積後の形状保持力を制御でき、高さのある構造や複雑な形状をたわまずに作るために重要な特性が得られます。

鉱物を望む場所で育てる

印刷後、試料は細菌に栄養を与え、鉱物成長に必要な成分を供給する溶液に浸されます。微生物はこれらの成分を炭酸カルシウムの固体に変換し、主に表面や開口した孔周辺で生成して材料を徐々に硬化させます。単純な円筒試料の試験では、細菌の存在が非生物コントロールに比べて剛性を大きく高めることが示されましたが、内部が大部分未鉱化のままだと強度の向上は控えめでした。鉱物含有量が深さとともにどのように変化するかを調べたところ、成長は溶解物質が材料を通って移動しやすいかどうかに制約されることが分かりました。この知見に基づき、研究者らは印刷フィラメントを数ミリ幅にし、鉱物形成溶液が内部表面まで届くように意図的な多孔性を導入する設計を行います。

強化されたグリッドと優れた層間接着

これらの設計ルールを用いて、研究者らはフィラメントの間隔が狭いものと広いものの立方体状グリッドを印刷し、活性細菌の有無で比較しました。より開いた空間を持つまばらなグリッドは多くの鉱物を蓄積し、亀裂をより均等に分散させ、圧縮試験で非生物サンプルよりも有意に強くかつ剛性が高くなりました。一方、密なグリッドは硬い外殻が形成されるものの内部コアが弱く、その性能を制限しました。チームはまた、積層印刷の主要な弱点の一つである successive strand 間の接着不良を検討しました。通常の印刷サンプルでは層は境界に沿って簡単に分離しますが、生きているサンプルでは新たに成長した鉱物結晶が層間の微小な隙間に詰まり、石の橋のように働きます。曲げ試験では、これらの橋が亀裂抵抗力を1桁以上向上させ、破壊が層に沿うのではなく層を横切って生じるようになることが示されました。

実験室のブロックから建築部材へ

現時点でこの材料は構造用コンクリートの代替となるほどの強度はないものの、その性能は非荷重部材に用いられる一部の軽量な土質や陶磁材料に匹敵します。本プロセスは常温で動作し、通気性や軽さ、植物や小さな生物を受け入れる能力が利点となるファサードパネル、遮光スクリーン、造園用部材などの多孔で軽量な要素を作ることができます。実証として、研究チームは小さなスツール大の曲面部材を印刷・鉱化し、数十センチ程度のオブジェクトを形状や内部ディテールを保ちながら扱えることを示しました。

見込みと実用上の課題

この研究は、建築家が細菌と精密に設計された幾何学を用いて現場で鉱物材料を「育てる」未来を示唆しており、建材の内包エネルギーを低減する可能性を秘めています。一方で、この手法をスケールアップするには液体の消費管理、厚部材での均一な鉱化の確保、そして微生物プロセスの副産物であるアンモニアへの責任ある対処などが必要です。これらの技術的・環境的課題が克服されれば、3Dバイオセメント印刷はデジタル加工と生物学的成長を融合させた、新しい一群の生きたプログラム可能な鉱物材料を建築家に提供する可能性があります。

引用: Antorveza Paez, K., Kindler, R.O., Terzis, D. et al. 3D biocement printing: scaling up living mineral structures. npj Mater. Sustain. 4, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00110-1

キーワード: バイオセメント, 3D印刷, 微生物材料, 持続可能な建設, 炭酸カルシウム