能够取代塑料，合成皮革的环保新材料：菌丝体

徐波

能够取代塑料，合成皮革的环保新材料：菌丝体

无论是来源于动物的真皮，还是人工合成的皮质，由于其柔软、透气、耐磨以及强度高等特点，在我们的生活中均具有广泛的用途。小到手套、鞋服、腰带、箱包制作，大到汽车、家具生产，都有着真皮皮质材料的身影。




但是近年来，随着社会上对于动物和环境保护意识的提升，传统真皮皮质来源以及人造合成皮质生产模式逐渐被人们排斥。如何降低对自然资源的索取和破坏，同时又满足人类对品质生活的追求？ 科学家们开始尝试借助大自然的智慧，在环保先行的理念下，寻找全新的可持续发展的真皮皮质替代产品，以来满足人们对真皮皮质等优质材料的需要。

2009年，来自加州大学旧金山分校的生物工程学博士 David Breslauer 和化学生物学博士 Dan Widmaier 合作，提出了利用合成生物学技术生产更环保、更耐用的材料来替代动物真皮皮质的想法，并创立了一家名为 Bolt Threads 的公司。截至目前，Bolt 已完成 E 轮 2.53 亿美元的融资，融资总金额约为 4.7 亿美元。

与此同时，一场由合成生物学技术引领的新材料革命，正逐渐改变着我们这个世界的一切。

自然世界的魔力，与非凡的可再生解决方案

我们都知道，蜘蛛生产的丝纤维具有卓越的性能，包括高拉伸强度、弹性、耐用性和柔软性。

凭借着在微生物工程领域的专业背景，Dan Widmaier 和 David Breslauer 博士利用生物工程将蜘蛛的相关基因放入酵母中，来生产天然的蛛丝蛋白质，然后将这种由酵母大量生产的蛛丝蛋白分离和纯化，再将其纺成纤维，就可以用于服装面料。

随后，他们又将目光放到了自然界中大量存在的蘑菇菌丝上。

菌丝体（mycelium）是真菌生物生成的类似血管状的菌丝，当真菌在生长时，这些菌丝体不断延伸并深入土壤和缝隙中。数十亿年前，人类及其祖先还远未出现在地球上时，真菌就已经存在，真菌形成的菌丝体也一直在我们脚下生长，形成了一张庞大的、无限可再生的、交错的网络，它穿过土壤，分解有机物，为植物和树木提供养分。

由于具有超强的粘合特性，使得菌丝体近年来被科学家们用来发展新型材料，而且其天然可降解的特性，更是受到关注环保及可持续发展的群体的青睐。

从高端服装品牌，到奔驰概念车，人造高端材料蔚然成风

2020 年，Bolt Threads 宣布成立 Mylo 联盟，与全球时尚及运动品牌合作共同开发由 Mylo 制成的各种产品。由于柔软、舒适且对环境危害较小等特点，Mylo 材料一经推出便风靡全球，受到广泛的好评和追捧。

包括英国著名的时装设计师 Stella McCartney，知名瑜伽服品牌 LULULEMON，知名箱包品牌 Chester Wallace，以及旗下拥有 GUCCI、BALENCIAGA、Alexander McQUEEN、BOTTEGA VENETA 等精品品牌的全球知名奢侈品企业开云（Kering）集团，都成为该材料的拥护者。

徐波

今年年初，豪华汽车品牌梅赛德斯-奔驰在美国内华达州拉斯维加斯举行的消费电子展上推出的最新电动汽车概念车 VISION EQXX，其座椅也使用了 Bolt Threads 的“蘑菇皮革”材料 Mylo。



我们都知道，传统汽车尤其是豪华汽车在生产过程中需要消耗大量的动物皮革。随着人们动物保护和环境保护意识的增强，汽车品牌们也开始积极寻求绿色可持续材料的使用。并且，和传统的动物真皮皮质相比，“蘑菇皮质” 有着更加轻便的特点，且对环境友好，因而获得奔驰的青睐。在豪华内饰中加入天然环保材料的应用，真正诠释“人与自然”的设计理念，不仅重新定义了电动汽车，也引领了一种新风尚。

菌丝体除了用于仿制皮革，在生物基塑料上也有很大成就。

菌丝体基塑料的性能与优势。

力学性能方面，Ziegler等对比了以纤维棉为原料制备的菌丝体基塑料与参考材料的部分力学性能指标，如表1所示，其中Styrofoam为陶氏公司的商用聚苯乙烯泡沫塑料。可以看出，菌丝体基塑料具有较轻的比重，其强度和模量等力学性能相较聚丙烯和聚苯乙烯材料仍有较大差距，但其压缩强度与聚苯乙烯材料近似，说明其具有良好的抗压回弹性能，有望应用在包装、缓冲、海洋漂浮等领域。吴豪等测试了以平菇2005A-为菌种制备的的菌丝体基塑料与EPS硬质蜂窝状泡沫的应力-应变曲线，结果表明，当承受相同的应力，菌丝体基塑料形变与EPS材料相当，说明其具备替代EPS材料的潜力。

其他性能方面，Pelletier对担子菌基塑料板材的声学性能进行了测试，结果表明，这类材料对于机动车噪音频段（1000 Hz）的吸收率高达75%，非常有希望取代传统的泡沫隔音板；菌丝体基塑料的线性热膨胀系数与聚苯乙烯泡沫近似。此外，由于真菌菌丝体本身不可燃，甚至可以直接承受火焰烧灼，是一种良好的天然阻燃材料。因此，利用其和惰性原料（如珍珠岩、贝壳等）所制备的菌丝体基塑料同样具备良好热稳定性和阻燃性。特别需要指出的是，与传统塑料及其他生物降解塑料相比，菌丝体基塑料还在以下几个方面具有突出优势。

1）本地化低成本原料。使用区域性的农业废弃物，可根据世界不同地区农作物副产品开发不同的生产模式。例如，在中国可以使用稻壳或者棉籽壳；在北欧或者北美可用荞麦皮或者燕麦皮。这种本地化自给自足的生产模式可以有效节约原料长途运输过程中消耗的大量化石燃料。更重要的是生产所用的农业废弃物热值很低，不能燃烧发电或供暖，营养含量也很低，无法作为牲畜的饲料，大大降低了原材料成本，一定程度上避免了粮食基生物降解塑料“与人争粮”问题。

2）自组装设计、设备简便。菌丝体在生产过程中起到了自组装的作用，只需要将原料填充在模具内，就可以得到任何希望得到的形状。由于无需进行高温高压加工，进一步节约了制造过程中的能源消耗。同时菌丝体培养的环境也相对简单，对于设备要求较低，因此不需要建设传统的反应塔等大规模生产中心，反而可以因地制宜设立适应生产规模需要的小中型厂房。

3）高产出率。菌丝分解纤维素产生聚合物，在整个过程中起到粘结剂的作用，未被分解的部分最终也成为了产品的部分结构，被菌丝体网络牢牢绑定，一定程度上增加了材料的强度。整个过程中所有的原料都转化为产品，无多余的废料产生。

4）低排放、可降解。菌丝体基塑料生产过程中不添加工业黏结剂等化工产品，因此几乎没有挥发性有机物（VOC）排放，碳排放也相对较低。本身使用的谷物壳等原料都是完全可以降解的，得到的产品经使用废弃后可以直接作为家庭堆肥或园艺覆土，如果条件合适30天内就能完全降解。MycoFoamTM菌丝体基塑料因其良好的环境友好性而获得了国际知名的可持续发展设计公司MDBC颁发的最高等级 Cradle to Cradle（从摇篮到摇篮）GoldCertified认证。

菌丝体基塑料的主要应用。

菌丝体基塑料具有原材料成本低、环境友好、安全、惰性、可再生等优点，虽然其力学性能相比传统的聚苯乙烯等略逊一筹，但是综合考虑其比重低、抗压回弹性好的特点，有望在包装、建筑、交通、海洋工程等诸多领域实现应用。


1）包装材料。聚苯乙烯是最常见的包装材料，也是最难降解的塑料之一，垃圾填埋场中约有30%的废物为聚苯乙烯。菌丝体基塑料有望成为理想的聚苯乙烯泡沫包装材料替代品，在减少聚苯乙烯白色污染的同时，又实现了农业废弃物的资源化利用，具有良好的经济和环境双重效益。Ecovative的产品已被戴尔公司（Dell Inc.）用于包装和支撑大型电脑服务器，以取代传统的聚乙烯泡沫。另外，利用菌丝体基塑料的自组装特性可以实现复杂形状包装件的定制，因此也被 Stanhope Seta、Merck、Rich Brilliant Willing 等公司用作化学试剂、玻璃容器、LED组件等产品的缓冲包装。

2）建筑材料。采用菌丝体基塑料替代现有建筑和家具行业中普遍使用的纤维板、三合板等木材产品，可以在满足使用性能要求的同时，一方面有助于减少木材使用量、保护森林资源；另一方面可以避免因胶粘剂挥发等引起的室内VOC污染。菌丝体基塑料还具有良好的热稳定性，可以进一步应用于建筑用隔热、阻燃和防火。Ecovative公司采用珍珠岩等为原料制备的Greensulate材料，可以耐受乙炔喷枪直接灼烧而不融化燃烧，其阻燃、隔热性能达到了美国材料与试验协会 ASTM E84 建筑材料表面燃烧性能测定最高 A 级标准。宜家（IKEA）、世楷家具（Steelcase Inc.）均与Ecovative达成合作，拟将菌丝体基塑料用于家居产品中。此外，由于其低廉的材料成本，菌丝体基塑料建材还可用于应急避难、灾后重建等场合。美国克利夫兰州的非盈利组织 Refugee Response 已尝试将菌丝体基塑料建材用于搭建难民收容和工作的 Ohio City Farm城市农场。

3）在交通、海洋、国防等领域应用。除上述包装和建材应用外，福特（Ford Motor Company）在内的几家汽车生产商也在测试将菌丝体基塑料运用在汽车的保险杠、仪表门、车门等部件中，以利用其良好的缓冲和隔音特性，取代现有聚氨酯泡沫等材料；Green Futures Lab尝试用菌丝体基塑料制作湿地浮筏，在其上种植水生绿植，以期对雨水净化、水温调节、水体修复等提供帮助；Ecovative也在尝试利用菌丝体基塑料制造船舶缓冲件、海洋浮标、人工浮岛等；美国国防部高级研究计划局（DARPA）于去年启动了Engineered Living Materials 项目，研究重点之一即是利用菌丝体基塑料实现战场装备快速修复、自销毁无人作战系统等技术。