為了生產能夠修復裂縫的混凝土結構，德雷克塞爾大學工程學院的研究人員正在對舊技巧進行新的改造，以提高混凝土的耐久性。自從第一批石匠將馬毛混入泥漿中以來，纖維增強材料就已經存在。但德雷克塞爾研究小組正在將這種方法提升到一個新的水平，將增強纖維轉變為活的組織系統，將混凝土修復細菌趕到裂縫部位以修復損壞。

最近在《建筑與建筑材料》雜志上報道，Drexel 的“生物纖維”是一種聚合物纖維，包裹在充滿細菌的水凝膠和保護性損傷響應外殼中。該團隊報告說，嵌入混凝土結構中的生物纖維網格可以提高其耐用性，防止裂縫擴大并實現自我修復。

“對于利用大自然的靈感來改進建筑材料的持續努力來說，這是一個令人興奮的進展，”研究團隊負責人、工程學院副教授Amir Farnam 博士說。“我們每天都看到老化的混凝土結構正在遭受損壞，這會降低其功能壽命，并需要昂貴的關鍵維修。想象一下，他們可以自愈嗎?在我們的皮膚中，我們的組織通過注入自我修復液體(血液)的多層纖維結構自然地做到這一點。這些生物纖維模仿了這一概念，并使用制石細菌來制造損傷響應型活性自修復混凝土。”

延長混凝土的使用壽命不僅有利于建筑行業，而且已成為世界各國致力于減少溫室氣體排放的優先事項。制造混凝土成分的過程——在超過 2,000 華氏度的溫度下燃燒石灰石、粘土或頁巖等礦物質的混合物——占全球溫室氣體排放量的 8%。

混凝土結構可在短短 50 年內降解，具體取決于其環境。在更換和對新建筑不斷增長的需求之間，混凝土是世界上消耗最多和需求量最大的建筑材料。

生產使用壽命更長的混凝土將是減少其對全球變暖影響的一大進步，更不用說降低基礎設施維修的長期成本，這就是為什么美國能源部最近發起了重點改善基礎設施的努力。

在過去的十年中，德雷克塞爾在研究如何提高混凝土的可持續性和耐久性方面處于領先地位，而法納姆的實驗室是參與國防部加固其老化結構的團隊的一部分。

“多年來，先進基礎設施材料實驗室一直在培育生物自愈水泥基復合材料的概念，”該研究的主要作者、法納姆實驗室的博士生穆罕默德·胡什曼德 (Mohammad Houshmand) 說。“BioFiber 項目代表了一項協作性、多學科的努力，整合了土木工程、生物學、化學和材料科學領域的專業知識。主要目標是率先開發多功能自愈生物纖維技術，在這些不同學科的交叉點上樹立新標準。”

該團隊創造生物纖維的方法受到皮膚組織的自我修復能力和脈管系統在幫助生物體治愈自身傷口方面的作用的啟發。它使用他們開發的生物技術，在生物礦化細菌的幫助下實現混凝土基礎設施的自我修復。

該小組與瑪格麗特· C·伯恩斯工程系主席卡羅琳·肖爾博士、副教授克里斯托弗·銷售博士和助理教授艾哈邁德·納賈菲博士領導的研究團隊合作，確定了球形賴氨酸芽孢桿菌菌株，作為纖維的生物修復劑。這種持久的細菌通常存在于土壤中，能夠驅動一種稱為微生物誘導碳酸鈣沉淀的生物過程，從而產生一種類似石頭的材料，這種材料可以穩定并硬化成修補混凝土暴露裂縫的補丁。

當誘導形成內生孢子時，細菌可以在混凝土內的惡劣條件下生存，處于休眠狀態直到被激活。

“這項研究的一個令人驚奇的事情是，每個人都如何從不同的專業知識中解決這個問題，因此創造新型生物纖維的解決方案變得更加強大，”紹爾說。“選擇細菌、水凝膠和聚合物涂層的正確組合是這項研究和生物纖維功能的核心。從大自然中汲取靈感是一回事，但將其轉化為由可以在功能結構中共存的生物成分組成的應用程序是一項艱巨的任務，需要多方面的專家團隊才能成功實現。”

為了組裝生物纖維，該團隊從能夠穩定和支撐混凝土結構的聚合物纖維芯開始。它在纖維上涂上一層充滿內生孢子的水凝膠，并用損傷響應聚合物外殼包裹整個組件，就像皮膚組織一樣。整個組件的厚度略多于半毫米。

生物纖維在澆注時放置在整個混凝土的網格中，充當增強支撐劑。但只有當裂縫穿透混凝土足以刺穿纖維的聚合物外殼時，它的真正才能才會顯現出來。

當水進入裂縫并最終到達生物纖維時，它會導致水凝膠膨脹并從外殼中擠出并向上推向裂縫表面。當這種情況發生時，細菌在混凝土中存在碳和營養源的情況下從其內生孢子形式被激活。細菌與混凝土中的鈣發生反應，產生碳酸鈣，充當膠結材料，將裂縫一直填充到表面。

愈合時間最終取決于裂縫的大小和細菌的活性(該團隊目前正在研究這一機制)，但早期跡象表明細菌可以在短短一到兩天內完成其工作。

法納姆說：“雖然在檢查自我修復動力學方面還有很多工作要做，但我們的研究結果表明，這是一種無需外部干預即可阻止形成、穩定和修復裂縫的可行方法。” “這意味著生物纖維有一天可以用來制造‘活的’混凝土基礎設施并延長其使用壽命，從而無需進行昂貴的維修或更換。”