三维生物水泥打印：放大可生长矿物结构

与有益微生物共建

混凝土让现代城市成为可能，但其背后有沉重的气候代价，因为水泥生产会排放大量二氧化碳。本研究探讨了一种截然不同的“水泥”——利用活细菌在室温下生长出类石质矿物，并展示了如何通过3D打印将这种活性材料塑造成具有建筑用途的形态。

从混凝土打印到可生长的石材

近年来，机器人和3D打印机已开始通过分层挤出混凝土来建造建筑，使建筑师无需传统模具也能创造复杂形体。然而，这些系统仍依赖水泥——全球二氧化碳排放的重要来源——且打印构件常出现层间粘结薄弱的问题。作者提出是否可以在保留3D打印的几何自由度和自动化的同时，用由微生物生长的低能耗矿物胶结物替代水泥。他们基于一种工艺：特定细菌触发碳酸钙的形成（与石灰石和贝壳中的矿物相同），用以粘合沙粒。

可打印的活性“墨水”

为使这一想法具备实用性，团队设计了一种既像稠糊状膏体又能维持细菌存活的可打印“生物墨水”。该墨水将沙粒用于结构，采用由常见天然聚合物制成的软凝胶将各组分固定，并加入微小的片状颗粒以微调打印时的流变性。显微观察显示，细菌在墨水中保持均匀分布并被困于凝胶内，当打印件随后浸入富含矿物的溶液时细菌仍然保留。通过调整配方，研究者可以控制墨水的挤出难易和沉积后保持形状的能力，这对于构建不下沉的高大或复杂结构至关重要。

让矿物在正确的位置生长

打印完成后，将物体浸入一种为细菌提供营养并供应矿化所需成分的溶液中。微生物将这些成分转化为固态碳酸钙，该矿物主要在表面和开放孔隙附近形成，逐步使材料变硬。对简单圆柱样品的测试表明，与非活性对照相比，细菌的存在显著提高了刚度，尽管当内部大部分未被矿化时，强度提升有限。通过研究矿物含量随深度的变化，团队发现生长受限于溶解物在材料中扩散的难易程度。该洞见促使他们设计仅几毫米厚的打印丝并引入刻意的孔隙，以便矿化溶液能够到达更多的内部表面。

更强的格栅与更好的层间粘结

利用这些设计规则，研究者打印出格栅状立方体，其丝状间距或密或疏，并比较含活性细菌与不含细菌的版本。具有更多开放空间的稀疏格栅积累更多矿物、使裂缝分布更均匀，并在压缩试验中比无生命对照表现出明显更高的强度和刚度。相比之下，致密格栅会形成坚硬的外壳但内部核心较弱，从而限制了其性能。团队还研究了层状打印的主要弱点之一：相邻层之间的粘附差。在普通打印样品中，层沿接触界面容易分离；而在活性样品中，新生的矿物晶体填充层间细小缝隙，充当石质桥梁。弯曲试验显示，这些桥梁将抗裂能力提升了一个数量级以上，并使破坏倾向穿过层而不是沿层面剥离。

从实验室块体到建筑构件

尽管当前材料尚不足以替代结构性混凝土，但其性能可与某些用于非承重部件的轻质土质和陶瓷材料相媲美。该工艺在室温下进行，能够生产多孔、轻质的构件，如幕墙板、遮阳屏和景观件，在这些应用中，气流、光线以及容纳植物或小型生物的能力往往是优点而非缺陷。作为示范，团队打印并矿化了一个大约小凳子尺寸的弧形构件，表明该方法可处理数十厘米量级的物体，同时保持形状与内部细节。

前景与实际挑战

这项工作指向了一个未来：施工者可以利用细菌和精心编程的几何形态在原位“生长”矿物材料，可能降低建筑构件的体现能量。与此同时，要将该方法放大应用，需要管理液体消耗、确保较厚部件中矿化的均匀性，并负责任地处理作为微生物过程副产物的氨——若未经处理排放可能对环境有害。如果这些工程与环境难题能够解决，3D生物水泥打印或将为建筑师提供一类新的可生长、可编程的矿物材料，将数字制造与生物生长结合起来。

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

关键词: 生物水泥, 3D 打印, 微生物材料, 可持续建筑, 碳酸钙