«Грибная кожа»

Чайный гриб как основа нового материала

В основе технологии – симбиотический организм Medusomyces gisevii, известный как чайный гриб (комбуча). В лаборатории сформирован собственный банк бактерий: исследователи научились заменять симбиотические микроорганизмы гриба специальными штаммами. Подбирая комбинации, исследователи управляют характеристиками будущего материала. В результате микроорганизмы формируют плотный слой бактериальной целлюлозы – природный каркас будущего материала.

Эта работа напоминает скорее лабораторную «кухню», чем классическое промышленное производство. Мицелий помещают на питательную среду, после чего в контролируемых условиях температуры и влажности он начинает активно разрастаться. Через неделю на поверхности формируется плотный биослой. Материал выращивается в формах или по лекалам будущего изделия. Это позволяет сразу получать заготовки нужной формы и размера. Например, чехлы для сидений беспилотных рельсовых транспортных средств, которые производит компания. Это минимизирует последующую резку и отходы материала.

Несмотря на то, что симбиотический организм выглядит как домашняя комбуча, он не пьет черный чай с сахаром. В состав специального питательного состава, который применяется в лаборатории, входит сложная биотехнологическая смесь. В частности, в ней есть гуматы и ряд других компонентов.

Чтобы найти оптимальный «рецепт», специалисты тестировали различные комбинации грибов и бактерий, ведь речь идет о симбиотической системе. Они подбирали различные штаммы и составы среды, но не все комбинации оказались подходящими: в некоторых случаях грибная культура подавляла бактериальную. В итоге специалисты остановились на наиболее устойчивом симбиотическом организме, с которым сейчас работают.

Чтобы получить «кожу», важно, чтобы живой биослой достиг определенной толщины – не менее 1,5 сантиметра. Если не снять пласт вовремя, организм расслоится сам. В этом случае слои можно дорастить до нужной толщины, после чего использовать для производства материала.

Полученную пленку снимают с поверхности. На этом этапе она напоминает влажный студенистый пласт. Далее следует обработка, определяющая конечные свойства материала. Заготовку замачивают в растворах, удаляющих излишние сахара и органические компоненты, затем промывают и сушат. Добавление пластификаторов придает ей гибкость и устойчивость структуры.

Чтобы материал стал гибким, его пропитывают соединениями на основе органических компонентов фосфолипидного происхождения. В результате вещества проникают в волокнистую матрицу мицелия, повышая эластичность и при этом не разрушая природную структуру материала. Эта обработка влияет прежде всего на тактильные качества: материал становится более мягким и пластичным. При этом практически не сказывается на массе: прибавка составляет порядка 0,1 грамма на образец.

Состав пластифицирующих соединений подбирался экспериментально. Универсального рецепта для всех биоматериалов не существует: комбинация компонентов зависит от структуры мицелия и характеристик конечного материала.

На этом этапе исчезает характерный грибной запах и формируется окончательная эластичность. Кстати, «грибная кожа» поддается окрашиванию. Цвет можно задавать как на этапе обработки, так и в процессе дальнейшей отделки. Это позволяет получать покрытия разных оттенков и адаптировать их под требования интерьера – например, салонов общественного транспорта.

Каким испытаниям подвергают искусственную кожу

Для всестороннего изучения свойств искусственной кожи из мицелия грибов необходимы комплекс метрологических исследований и серия обязательных тестов. Испытания охватывают несколько ключевых направлений и позволяют гарантировать качество, безопасность и долговечность материала. Тесты регламентированы государственными стандартами (ГОСТ).

Испытания на механическую прочность:

• устойчивость к многократному изгибу (ГОСТ 8978‑2003) – тест имитирует реальную эксплуатацию: материал многократно сгибают и разгибают, пока не появятся видимые дефекты. Существуют разные методы, например, изгиб образца по форме ромба со сжатием и распрямлением и изгиб вокруг специальных зажимов;

• истираемость и слипание покрытия (ГОСТ 8975‑75) – образцы трут до износа, оценивая, насколько прочно покрытие держится на основе и не склеивается ли материал при контакте.

Химическая стойкость:

• проницаемость кислот и щелочей (ГОСТ 12.4.147‑84) – этот метод особенно важен для искусственной кожи, используемой для технических и защитных функций. Испытание проводят на устройстве ПМК‑1, где образец закрепляется в цилиндре, с одной его стороны наносится агрессивная среда (серная, соляная, азотная кислота или гидроксид натрия), а затем с помощью электродов определяют момент проникновения вещества через материал.

Внешние воздействия и долговечность:

• стойкость к многократному изгибу при пониженных температурах – в камере холода образцы многократно сгибают, проверяя, не растрескивается ли покрытие;

• потенциальное фенольное пожелтение – со временем под воздействием света, воздуха и химических веществ некоторые материалы могут желтеть. Специальные тесты оценивают склонность к этому дефекту, который особенно критичен для светлых изделий;

• стойкость к истиранию и выцветанию – искусственную кожу проверяют на устойчивость к трению, воздействию света и пота, для одежды и галантереи это критически важно.

Кроме того, ГОСТы регламентируют проведение испытаний на устойчивость к плесени, антимикробной активности (актуально для использования в одежде и для медицинских целей), экологическую безопасность и биоразлагаемость. Выбор конкретных методов зависит от целевого назначения материала: для модной индустрии приоритетны механические свойства и грибостойкость, для медицинского применения – антимикробная активность и биосовместимость, для экологичной упаковки – биоразлагаемость

подробнее

Эксперименты с грибными культурами

В поиске оптимальных свойств исследователи экспериментировали с различными культурами грибов. Например, вешенка сформировала плотную, но относительно хрупкую структуру. Трутовик лакированный – рейши – напротив, образовал жесткий, почти каменный материал. Подбор штаммов и условий роста позволяет управлять характеристиками будущего материала еще на стадии биосинтеза.

Готовые образцы проходят серию испытаний. Их сравнивают с натуральной кожей и синтетическими аналогами по прочности при растяжении, устойчивости к влаге и деформациям. Главное преимущество технологии – скорость и экономичность. Для получения натуральной кожи требуется вырастить животное, а это годы времени и огромное количество воды, кормов, электроэнергии. Биоматериал же на основе грибной культуры формируется примерно за неделю. При этом он еще и биоразлагаем.

Пока разработка белорусских ученых проходит лабораторные исследования, однако интерес к подобным материалам растет. В мире уже есть примеры использования «грибной кожи» в дизайнерских коллекциях одежды и аксессуаров.

Специалисты «Струнных технологий» рассматривают материал прежде всего как функциональное решение для общественного транспорта. Его можно использовать для обивки сидений и элементов интерьера рельсовых беспилотников – юнимобилей.

Сейчас «грибная кожа» находится в стадии лабораторного изучения, поэтому комплексных испытаний, например, на истираемость или светостойкость по стандартизованным методикам еще не проводили. Эти тесты планируется провести на следующем этапе, когда материал будет готовиться к практическому применению.

Что касается устойчивости окраски, то она в первую очередь зависит от используемых красителей. Базовый биоматериал хорошо впитывает пигменты, однако скорость выцветания определяется свойствами самого красителя и его устойчивостью к ультрафиолету, а не структурой мицелия.

При контакте с водой, например, при регулярной влажной уборке, материал ведет себя так же, как и другие пористые природные материалы. Он впитывает воду, поэтому для практического применения потребуется защитная обработка или финишное покрытие, которое обычно делают для текстиля и натуральной кожи в интерьерах транспорта.

Что касается микробиологической устойчивости, сам материал формируется на основе грибной и бактериальной культуры. Многие грибы способны синтезировать белковые соединения с антимикробной активностью, поэтому мицелий может обладать естественными свойствами подавления роста некоторых микроорганизмов. Однако для подтверждения устойчивости к патогенной микрофлоре необходимы отдельные специализированные исследования, которые планируется проводить на следующих этапах разработки.

Когда материалы не производят, а выращивают

Работа над проектом ведется на стыке нескольких наук. Биологи исследуют рост и поведение грибных культур, микробиологи подбирают устойчивые симбиотические сообщества, химики разрабатывают составы для стабилизации и обработки биоматериала, а материаловеды изучают его механические свойства – прочность, эластичность, устойчивость к влаге и износу. Междисциплинарный подход позволяет управлять характеристиками будущего материала на разных стадиях – от биосинтеза до финальной обработки.

Справка

Международный опыт по использованию грибного мицелия для выращивания материала:

• Ученые Омского государственного технического университета (ОмГТУ) под руководством доцента Светланы Чачиной разработали биополимерное покрытие на основе бактериальной целлюлозы, которую производят микроорганизмы чайного гриба (комбучи).

В результате:

• материал обладает выраженными антибактериальными свойствами: зона подавления бактерий составляет 1‑1,5 см, что в два-три раза эффективнее синтетических антибиотиков, а также ускоряет регенерацию тканей при ожогах и повреждениях кожи, создавая защитный барьер.

• Индонезийский стартап Mycotech Lab разрабатывает и производит кожу из мицелия под брендом Mylea. Мицелий выращивают на древесных опилках и других сельскохозяйственных отходах, затем высушивают, окрашивают натуральными красителями.

В результате:

• материал водонепроницаем, прочен, по текстуре близок к животной коже;

• в 2023 году компания отгружала почти 200 кв. м материала в год;

• компания уже сотрудничает с брендами Brodo, Hyundai и Lexus и модными брендами.

подробнее

Повторяемости свойств материала удается достигать благодаря тому, что он формируется в результате стабильного симбиоза грибов и бактерий. В этом процессе оба участника заинтересованы в совместном существовании, поэтому при соблюдении одинаковых условий культивирования создается однородная биоструктура.

Именно поиск устойчивой комбинации микроорганизмов стал одним из самых трудоемких этапов работы, ведь некоторые микроорганизмы, которые потенциально могли улучшить структуру материала, грибная культура подавляла. Поэтому исследователям приходилось подбирать такие штаммы бактерий, которые были бы способны сосуществовать с грибом и при этом не разрушались бы в процессе роста.

Разработка компании показывает, как биотехнологии становятся частью современной инженерии материалов. Вместо традиционного производства, связанного с длительным выращиванием сырья и значительными ресурсными затратами, появляется возможность получать функциональные материалы в лабораторных условиях – быстрее и с меньшим вредом для атмосферы. Такие технологии постепенно формируют новое направление в материаловедении, где материалы не изготавливают, а выращивают.

Успех мицелиевой кожи будет определяться не тем, насколько точно она имитирует животную кожу, а ее собственными уникальными свойствами – биоразлагаемостью, низким углеродным следом, возможностью локального производства и кастомизации характеристик на этапе выращивания.

Отрасль прошла стадию «хайпа» и энтузиазма и вступила в фазу реалистичного масштабирования. Ближайшие несколько лет покажут, удастся ли преодолеть технологические и экономические барьеры, чтобы превратить перспективную разработку в полноценный сегмент мировой экономики.