生きた建築材料

生体建築材料（LBM）とは、建築や工業デザインにおいて、生体に似た挙動を示す材料のことである。例としては、自己修復性バイオセメント[ 1 ]、自己複製性コンクリート代替品[ 2 ]、建設・包装用の菌糸体複合材[ 3 ]、[ 4 ]などが挙げられる。芸術的なプロジェクトには、建築部材や家庭用品などが含まれる。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

歴史

生体建築材料の開発は、サンゴの鉱化作用に着想を得たコンクリートの鉱化方法の研究から始まりました。微生物誘導方解石沈殿（MICP）をコンクリートに利用する技術は、1990年にアドルフらによって、建物のファサードに保護コーティングを施す方法として初めて開発されました。[ 9 ]

2007年、レンセラー工科大学で行われた研究から派生したEcovative Design社は、菌糸体をベースとした建築用断熱材「グリーンサレート」を発表しました。[ 10 ] [ 11 ]菌糸体複合材はその後、包装材、吸音材、レンガなどの構造用建築材として開発されました。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

英国では、 2013年にカーディフ大学でMaterials for Life（M4L）プロジェクトが設立され、「外部からの介入を必要とせずに、継続的に自己監視、調整、適応、修復を行う材料と構造物で構成される、持続可能で回復力のあるシステムである建築環境とインフラを創造する」ことを目指しています。[ 15 ] M4Lは、英国初の自己修復コンクリートの試験につながりました。[ 16 ] 2017年にプロジェクトは拡大し、カーディフ大学、ケンブリッジ大学、バース大学、ブラッドフォード大学が主導するコンソーシアムとなり、 Resilient Materials 4 Life （RM4L）に名称を変更し、工学物理科学研究会議から資金提供を受けました。[ 16 ]このコンソーシアムは、材料工学の4つの側面、すなわち、複数のスケールでのひび割れの自己修復、時間依存および周期的な荷重損傷の自己修復、化学的損傷の自己診断と修復、物理的損傷に対する自己診断と免疫に焦点を当てています。[ 17 ]

2016年、米国国防総省の国防高等研究計画局（DARPA）は、工学生体材料（ELM）プログラムを開始しました。[ 18 ]このプログラムの目標は、「生体材料として機能する細胞システムに構造的特徴を組み込むことを可能にする設計ツールと手法を開発し、それによって建築技術の新たな設計空間を開拓する…（そして）再生、自己組織化、自己修復が可能な生体材料の製造を通じて、これらの新しい手法を検証する」ことです。[ 19 ] 2017年、ELMプログラムはEcovative Designと契約し、「生体ハイブリッド複合建築材料を製造し…（その生体材料に傷の修復などの応答機能を遺伝的に再プログラムし…（そして）その材料を迅速に再利用し、新しい形状、形態、用途に再展開する」ことを目指しました。[ 20 ] 2020年、ELM助成金を受けたコロラド大学の研究グループは、指数関数的に再生するコンクリートの開発に成功し、論文を発表しました。[ 2 ] [ 21 ] [ 22 ]

自己複製コンクリート

生きた建築材料の破壊エネルギーを、シアノバクテリアを含まない対照群とシアノバクテリアを含まない高pH対照群の2つと比較した。[ 2 ]

自己複製コンクリートは、砂とハイドロゲルの混合物を使用して製造され、シネココッカス細菌の増殖培地として使用されます。[ 2 ]

合成と製造

自己複製コンクリートの原料となる砂ハイドロゲル混合物は、一般的なコンクリート混合物よりもpH、イオン強度、硬化温度が低く、バクテリアの増殖培地として機能します。バクテリアは増殖するにつれて培地中に広がり、炭酸カルシウムでバイオミネラリゼーションを起こします。炭酸カルシウムは、材料全体の強度と耐久性に大きく貢献します。ミネラリゼーション後、砂ハイドロゲル混合物はコンクリートやモルタルとして建設に使用できるほどの強度になります。[ 2 ]

自己複製するコンクリート中の細菌は湿度の変化に反応します。湿度100%の環境で最も活発に活動し、最も速く増殖しますが、湿度が50%に低下しても細胞の活動に大きな影響はありません。湿度が低い方が、湿度が高い場合よりも材料の強度が高くなります。[ 2 ]

バクテリアが繁殖するにつれて、バイオミネラリゼーションの活性が高まり、生産能力が飛躍的に向上します。[ 2 ]

プロパティ

この材料の構造特性は、ポートランドセメント系モルタルの特性と類似しており、弾性率は293.9MPa、引張強度は3.6MPa（ポートランドセメント系コンクリートの最小必要値は約3.5MPa）である。[ 2 ]しかし、破壊エネルギーは170Nであり、最大で数kNに達する標準的なコンクリート配合のほとんどよりもはるかに低い。

用途

自己複製コンクリートは様々な用途や​​環境で使用できますが、湿度が最終材料の特性に及ぼす影響（上記参照）を考慮すると、材料の適用は環境に合わせて調整する必要があります。湿度の高い環境では、道路、壁、歩道のひび割れを埋めるために使用できます。ひび割れに浸透し、硬化すると固体になります。[ 23 ]一方、乾燥した環境では、低湿度環境で強度が向上するため、構造材として使用できます。

従来のコンクリートは製造時に大量の二酸化炭素を大気中に排出しますが、自己複製コンクリートに使われるバクテリアは二酸化炭素を吸収するため、二酸化炭素排出量は少なくなります。[ 24 ]

この自己複製コンクリートは、標準的なコンクリートを置き換えるものではなく、強度、生態学的利点、生物学的機能性を兼ね備えた新しいクラスの材料を作り出すことを目的としています。[ 25 ]

炭酸カルシウムバイオセメント

バイオセメントを用いたミツバチの巣作り。図(a)はバイオセメントブロックとミツバチの居住エリアの仮想模式図を示す。図(b)は設計の断面図とミツバチが巣を作るための穴を示す。図(c)はバイオセメント製のミツバチブロックのプロトタイプを示す。[ 26 ]

バイオセメントは、微生物誘導方解石沈殿（MICP）プロセスによって生成される砂骨材です。 [ 27 ] [ 26 ]バイオセメントは、農業廃棄物から鉱山廃石まで、さまざまな原料を使用して製造できる環境に優しい材料です。[ 28 ]

合成と製造

微生物はバイオコンクリートの形成において重要な要素であり、CaCO3が表面に沈殿するための核形成部位を提供します。 [ 26 ] Sporosarcina pasteuriiなどの微生物は、溶存無機炭素（DIC）が大量に存在する高アルカリ性の環境を作り出すため、このプロセスに役立ちます。 [ 29 ]これらの因子は、バイオコンクリートが形成される主なメカニズムである微生物学的に誘導された方解石沈殿（MICP）に不可欠です。 [ 27 ] [ 26 ] [ 29 ]このプロセスを誘導するために使用できる他の生物には、微細藻類などの光合成微生物、シアノバクテリア、およびDesulfovibrio desulfuricansなどの硫酸塩還元細菌（SRB）が含まれます。[ 27 ] [ 30 ]

炭酸カルシウムの核形成は、主に次の 4 つの要因に依存します。

  1. カルシウム濃度
  2. DIC濃度
  3. pHレベル
  4. 核形成部位の利用可能性

カルシウムイオン濃度が十分に高い限り、微生物は尿素分解などのプロセスを通じてそのような環境を作り出すことができます。[ 27 ] [ 31 ]

微生物を利用して炭酸塩沈殿を促進する方法の最適化は急速に進歩している。[ 27 ]

プロパティ

バイオセメントは、材料に混合されているバクテリア、乳酸カルシウム、窒素、リンなどの成分によって「自己治癒」する能力があります。 [ 28 ]これらの成分は、バイオセメント中で最大200年間活性を維持する能力があります。バイオセメントは他のコンクリートと同様に、外力や応力によってひび割れることがあります。しかし、通常のコンクリートとは異なり、バイオセメント中の微生物は水に触れると発芽します。[ 32 ]雨水はバイオセメントが生息する環境であるこの水を提供します。水に触れると、バクテリアは活性化し、混合物に含まれる乳酸カルシウムを栄養源とします。[ 32 ]この栄養源供給プロセスでは酸素も消費され、元々水溶性であった乳酸カルシウムが不溶性の石灰岩に変換されます。この石灰岩は、ひび割れた部分の表面で固化し、ひび割れを塞ぎます。[ 32 ]

酸素は金属などの材料を腐食させる主な要因の一つです。鉄筋コンクリート構造物にバイオセメントを使用すると、微生物が酸素を消費することで耐食性が向上します。この特性は、治癒を促し、全体的な腐食を抑制するため、耐水性も向上させます。[ 32 ]防食には水コンクリート骨材が使用され、リサイクルも可能です。[ 32 ]バイオセメントを粉砕または粉砕するなど、様々な方法で成形できます。[ 27 ]

バイオセメントの透水性は通常のセメントに比べて高い。[ 26 ]これはバイオセメントの多孔性が高いためである。多孔性が高いと、強い力にさらされた場合、ひび割れが大きくなる可能性がある。バイオセメントは現在、約20%が自己修復剤で構成されている。これにより、機械的強度が低下する。[ 26 ] [ 28 ]バイオコンクリートの機械的強度は通常のコンクリートよりも約25%低く、圧縮強度も低くなる。[ 28 ]緑膿菌などの生物はバイオセメントの生成に有効である。これらは人間の近くにいると危険なため、避けなければならない。[ 33 ]

核形成メカニズム

MICP では、微生物細胞表面での不均一な核形成が一般的です。細菌細胞壁と細胞外ポリマーは、Ca 2+イオンを選択的に結合させる負に帯電した部位を呈し、核形成エネルギー障壁を効果的に低下させます。[ 34 ]本質的には、結合したカチオンと炭酸塩の出会いごとに、小さな結晶胚が形成されます。したがって、微生物は多数の核形成テンプレートを提供し、均一なガラス状の膜ではなく、方解石の板状または針状を生成します。たとえば、SEM による研究では、方解石が細菌膜上にクラスター状の板状または針状の凝集体として沈殿することが示されています。[ 34 ]局所的な過飽和度が高い場合、最初に非晶質炭酸カルシウムやバテライトなどの不安定な前駆物質が形成され、後に方解石に変換される可能性があります。微生物コンソーシアムまたは海水中では、混合代謝経路が局所的な pH とイオン活性をさらに調整し、核形成閾値に影響を及ぼします。これらには、尿素の加水分解や光合成が含まれます。

微生物誘導方解石沈殿（MICP）によって形成された炭酸カルシウム結晶のクラスターを示す走査型電子顕微鏡写真。結晶凝集体は、中程度の過飽和状態における拡散律速成長に一致するファセット形状を示す。このような大規模な沈殿パターンは、多孔質媒体を通じたイオン輸送と微生物細胞周囲の局所的な核形成の影響を受ける。

微生物誘導性方解石の顕微鏡観察では、しばしば特徴的な形態が示される。細菌表面と細胞外高分子鞘はCa 2+イオンとCO 3 2-イオンを濃縮し、荷電核形成部位として作用する。[ 34 ]その結果、滑らかな単結晶ではなく、画像に示すように、方解石が凝集した「ラフト」または針状のクラスターとなることが多い。このような組織は、不均一核形成と一致する。つまり、結晶は局所的に過飽和度を高める細胞テンプレート上でエピタキシャル成長する。急速な沈殿によって過飽和度が緩和されると、カルシウムイオンが周囲の液体から拡散し、微生物の周囲で核形成と成長を継続させる。

細菌が分泌する細胞外高分子物質（EPS）も、CaCO 3 の核形成において重要な役割を果たします。EPSは、多糖類、タンパク質、核酸からなる複雑な生体高分子で、微生物コロニーの周囲に水和マトリックスを形成します。これらのマトリックスはCa 2+などの二価陽イオンと結合し、炭酸イオンを局在化させることで、細胞と液体の界面におけるイオン活性を高めます。EPSは、反応物質を濃縮し、結晶形成における界面エネルギー障壁を低下させることで、不均一な核形成を媒介します。さらに、EPS中のカルボキシル基やヒドロキシル基などの特定の官能基は、結晶配向や多形選択のテンプレートとして機能します。過飽和度と結合エネルギーを微小環境が制御するこの現象は、生物学的に制御された鉱化作用の基本的な例です。

成長速度

核生成後、方解石結晶は表面にイオンを取り込むことで成長する。材料科学では、転位源による螺旋成長と結晶テラス上の二次元（2D）層核形成という2つの限界領域がしばしば区別される。速度論的研究は、結晶サイズとイオン輸送がどちらのメカニズムが支配的であるかを決定することを示している。例えば、約1μmより大きい方解石結晶は螺旋ステップで成長することが好ましく、より小さな結晶子は表面2D核形成に大きく依存することが分かっている[ 35 ] 。このサイズ依存性は、流体境界層を通るイオン輸送が有限であるために生じる。より大きなサイズでの遅い拡散は結晶表面における有効過飽和度を低下させ、安定した螺旋成長を促進する[ 35 ] 。

微生物誘導による炭酸カルシウム沈殿の高倍率SEM像。棒状の方解石結晶（p）が、細菌バイオフィルムまたは有機基質で構成されたと思われる細胞外マトリックス（e）上で成長している様子が見られる。この界面は、生物表面における不均一な核形成を浮き彫りにしており、細菌のエキソポリマーが局所的な過飽和と方向性のある結晶成長を促進している。

成長前面へのイオンの拡散はフィックの法則によって説明されます。簡略化されたものがフィックの第一法則で 、拡散フラックス J (mol·m -2 ·s -1 ) は拡散係数 D の比例係数によってイオンの濃度勾配に比例すると述べられています。MICP では、細菌による尿素分解や光合成によって [Ca 2+ ] と [HCO 3 - ] の高い領域が生成されます。方解石が沈殿すると、局所的な枯渇領域が形成され、イオンが拡散してそれを補充します。酵素活性が高い、または過飽和度が高いために沈殿が非常に速い場合、拡散が律速になる可能性があります。つまり、D と濃度勾配によってフラックスが決まるにつれて、成長が遅くなります。[ 35 ]逆に、過飽和度が低い場合や混合が多い場合は、付着速度を含む表面反応ステップが成長速度を制御する可能性があります。 J＝−DdCd×{\displaystyle J=-D{\frac {dC}{dx}}}

マイクロスケールでは、結晶成長の形態はこれらの速度論を反映しています。図示のSEM画像では、方解石結晶は細長い針状の特徴を示しており、段階的な層成長を示しています。実験的な速度論的解析により、臨界サイズを超えると、拡散による継続的なイオン供給が安定した螺旋状の成長面を形成することが明らかになっています。一方、サブミクロンの方解石粒子は、面全体にわたって新しい層が頻繁に核生成することで成長すると考えられます。方解石全体の成長は、螺旋状成長と新しい層核生成の組み合わせとしてモデル化できることが分かっています。

相転移

炭酸カルシウムには、複数の結晶多形と非晶質前駆物質がある。MICP では、最も安定した最終生成物は通常、菱面体結晶の方解石だが、準安定形態が一時的に現れる。最初は、水和非晶質 CaCO 3 (ACC) 相または一時的なバテライトが形成される可能性がある。ACC は溶解性が高く、急速に再結晶化する。古典的なオストワルドの段階則が適用され、システムでは多くの場合、最初に最も不安定な形態が沈殿し、次により安定した多形に変化する。[ 34 ]たとえば、多くの条件下では、最初に ACC が沈殿し、次にバテライトに結晶化し、最後に方解石に再配列する。[ 34 ]微生物の設定では、タンパク質や多糖類などの有機分子と、Mg 2+ 、リン酸などを含む溶液化学によって、バテライトやアラゴナイトさえも安定化できる。ただし、中性 pH の土壌では、支配的な相転移は通常、バテライトから方解石へである。

核形成テンプレートの利用可能性も多形性に影響を与える。細菌や藻類は、特定の有機マトリックスを生成することで、アラゴナイトまたは方解石を選択的に誘導することができる。実験室でのMICP研究では、マグネシウムまたは特定のバイオポリマーを添加すると、アラゴナイトが促進され、方解石の核形成が阻害される傾向がある。逆に、多くの尿素分解MICP実験では、Ca 2+ はMg 2+よりも細胞表面に強く結合するため、方解石は鋭利な菱形として観察される。[ 34 ]いずれの場合も、多段階結晶化経路（ACC → バテライト → 方解石）は、速度論と熱力学の相互作用によって支配されており、過飽和度が高く、尿素が急速に加水分解されると、これらの変化が速やかに進むことが多い。[ 34 ]

用途

バイオセメントは現在、建物の歩道や舗装などに使用されています。[ 36 ]生物学的建造物のアイデアもあります。バイオセメントの用途はまだ広く普及していません。その理由は、現在、バイオセメントをこれほど大量に生産する実現可能な方法がないためです。[ 37 ]また、機械的強度を損なえられないような大規模な用途でバイオセメントを安心して使用するためには、さらに多くの決定的なテストを行う必要があります。バイオセメントのコストは通常​​のコンクリートの2倍です。[ 38 ]ただし、小規模な用途では、スプレーバー、ホース、ドロップライン、ミツバチの巣など、さまざまな用途があります。バイオセメントはまだ開発段階ですが、将来の用途に有望な可能性を秘めています。

菌糸複合体

菌糸体複合体の構造例の一つ。[ 39 ]

菌糸体複合材料は、菌類が産生する枝分かれした糸状の菌糸の塊である菌糸体をベースとした材料です。菌糸体複合材料の合成・製造には複数の方法があり、それぞれ異なる特性と用途が得られます。菌糸体複合材料は経済的で持続可能な材料です。

合成と製造

菌糸体ベースの複合材料は、通常、さまざまな種類の菌類、特にキノコを使用して合成されます。[ 40 ]菌類の個々の微生物をさまざまな種類の有機物に導入して複合材料を形成します。[ 41 ]菌類の種の選択は、特定の特性を持つ製品を作成する上で重要です。複合材料の製造に使用される菌類の種には、G. lucidum、Ganoderma sp.、P. ostretus、Pleurotus sp.、T. versicolor、Trametes sp .などがあります。 [ 42 ]菌類の微生物の菌糸が有機物を分解して定着すると、密なネットワークが形成されます。植物廃棄物は、菌糸体ベースの複合材料に使用される一般的な有機基質です。菌類の菌糸を植物廃棄物と一緒に培養して、主に石油由来の材料の持続可能な代替品を生成します。[ 42 ] [ 3 ]菌糸体と有機基質は適切に培養する時間が必要であり、この時間は非常に重要である。なぜなら、これらの粒子が相互作用して結合し、高密度のネットワークを形成して複合体を形成する期間だからである。この培養期間中、菌糸体は廃棄植物産物から炭素、ミネラル、水などの必須栄養素を使用する。[ 41 ]有機基質の成分には、綿、小麦粒、米ぬか、モロコシ繊維、農業廃棄物、おがくず、パンの粒子、バナナの皮、コーヒーの残りなどがある。[ 42 ]複合体は、炭水化物の追加、発酵条件の変更、異なる製造技術の使用、後処理段階の変更、特定の特性を持つ製品を形成するための遺伝子または生化学物質の修正などのさまざまな技術を使用して合成および製造される。 [ 40 ]菌糸体複合材料の製造のほとんどはプラスチック型を使用して行われるため、菌糸体を目的の形状に直接成長させることができる。[ 41 ] [ 42 ]その他の製造方法としては、ラミネートスキンモールド、真空スキンモールド、ガラスモールド、合板モールド、木モールド、ペトリ皿モールド、タイルモールドなどがあります。[ 42 ]製造工程では、最良の結果を得るために、滅菌環境、光、温度（25〜35℃）、湿度約60〜65％の制御された環境条件が不可欠です。[ 41 ]菌糸体複合材を合成する方法の一つは、繊維、水、菌糸体を異なる配合比で混ぜ合わせ、層状にPVC型に入れ、各層を圧縮しながら数日間放置する方法である。[ 43 ]菌糸体複合材は、後裁断、冷間・熱間圧縮などの加工技術を用いて、発泡体、ラミネート、菌糸体シートに加工することができる。[ 41 ] [ 42 ]菌糸体複合材は、新しく製造されたばかりのときは水分を吸収する傾向があるため、製品を乾燥させることでこの特性を変えることができる。[ 42 ]

プロパティ

菌糸体ベースの複合材料を使用する利点の 1 つは、製造プロセスと使用する菌類に応じて特性を変えられることです。特性は使用する菌類の種類と生育場所によって異なります。[ 42 ]さらに、菌類は植物のセルロース成分を分解して好ましい方法で複合材料を作る能力があります。[ 3 ]圧縮強度、形態、引張強度、疎水性、曲げ強度などの重要な機械的特性も、複合材料のさまざまな用途に合わせて変更できます。[ 42 ]引張強度を高めるために、複合材料に熱プレス処理を施すことができます。[ 40 ]菌糸体複合材料の特性はその基質によって左右されます。たとえば、75 wt% の米ぬかで作られた菌糸体複合材料の密度は 193 kg/m 3ですが、75 wt% の小麦粒では密度は 359 kg/m 3です。[ 3 ]複合材料の密度を高める別の方法は、ハイドロフォビン遺伝子を欠損させることである。[ 42 ]これらの複合材料は自己融合能も有し、強度が向上する。[ 42 ]菌糸体ベースの複合材料は、通常、コンパクトで多孔質、軽量、そして優れた断熱材である。これらの複合材料の主な特性は、完全に天然であるため持続可能であることである。菌糸体ベースの複合材料のもう一つの利点は、この物質が断熱材として機能し、耐火性、無毒性、耐水性、成長の速さ、そして隣接する菌糸体製品との結合性を備えていることである。[ 44 ]菌糸体ベースのフォーム（MBF）とサンドイッチ部品は、2つの一般的な複合材料である。[ 3 ] MBFは、低密度、高品質、そして持続可能であることから、最も効率的なタイプである。[ 39 ] MBFの密度は、直径2 mm未満の基板を使用することで低減できる。[ 39 ]これらの複合材料は、熱伝導率も高い。[ 39 ]

用途

菌糸体ベースの複合材の最も一般的な用途の一つは、石油やポリスチレンベースの材料の代替品としてです。[ 42 ]これらの合成フォームは、通常、持続可能な設計や建築製品に使用されます。菌糸体ベースの複合材の使用は、その特性に基づいています。バイオサステイナブルな企業がいくつかあります。

さらなる応用

生体建築材料の使用以外に、微生物誘導炭酸カルシウム沈殿（MICP）の応用は、廃水、土壌、大気からの汚染物質の除去に役立つ可能性があります。現在、重金属と放射性核種を水源と土壌から除去することは課題となっています。地下水中の放射性核種は、従来の揚水・処理方法では除去できず、土壌を汚染する重金属に対しては、ファイトレメディエーションや化学的浸出などの除去方法が効果的ですが、これらの処理は高価で、効果が長続きせず、将来の利用のために土壌の生産性を損なう可能性があります。[ 45 ] CaCO3沈殿が可能な尿素分解細菌を使用することで、汚染物質はカルシウムイオン構造に移動し、土壌や水から除去することができます。これは、汚染物質をカルシウムイオンに置換することで機能し、その後、固体粒子を形成して除去できます。[ 45 ]これらの固形粒子は、尿素分解細菌を用いることで95%除去できることが報告されています。[ 45 ]しかし、パイプラインにカルシウムスケールが発生した場合、MICPはカルシウムをベースとしているため使用できません。カルシウムの代わりに、低濃度の尿素を添加することで、カルシウムイオンを最大90%除去することが可能です。[ 45 ]

もう一つの応用例としては、工学バクテリアを利用して圧力に反応して形成される自己構築基礎が挙げられる。工学バクテリアは土壌内の圧力上昇を検知し、土壌粒子をその場で固め、土壌を効果的に固めるのに使用できる。[ 1 ]土壌内の間隙水圧は、加えられた応力の量と土壌中の水が排水される速さという2つの要素で構成される。荷重に対するバクテリアの生物学的行動と土壌の機械的挙動を分析することで、計算モデルを作成することができる。[ 1 ]このモデルを使用すると、バクテリア内の特定の遺伝子を特定し、特定の圧力に特定の方法で反応するように変更することができる。しかし、この研究で分析されたバクテリアは高度に管理された研究室で培養されたため、実際の土壌環境は理想的ではない可能性がある。[ 1 ]これはモデルと、その元となった研究の限界ではあるが、それでも生きた建築材料の応用の可能性を残している。

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