工程化活体材料（Engineered Living Materials, ELMs）是新兴的交叉研究领域。通过将基因编程的生命体（例如细菌、真菌等）融入材料设计本身，ELMs颠覆了材料是“死”的这一固有概念，赋予了材料许多类似生命体的功能，比如生长与修复、动态响应、交流与传感等。然而，目前ELMs面临的主要挑战之一是材料的结构设计和机械性能如何与装载的活体细胞的生长和持续的功能执行相匹配。
为了解决这一挑战，上科大物质学院的联合研究团队结合材料科学、合成生物学和微流控等交叉手段，提出了一种活体水凝胶纤维（Living Hydrogel Fibers, LHFs）平台（图1），将基因编程后的微生物装载于多层腔室化水凝胶纤维中。该平台具有良好的生物相容性，可以容纳细胞在其中长期存活、生长和行使其功能。LHFs致密的壳层结构可以阻断装载的微生物向外界泄露以环境造成影响。同时，通过机械训练，LHFs也兼顾了优异的机械性能。
研究团队展示了基因编程后的LHFs具有可动态调控的颜色，可覆盖RGB色域的80%以上，并基于此构建了复杂纤维编织结构和展示了编码信息防伪功能（图2）。接着，团队开发了具有生物传感功能的LHFs并展示了其在环境水污染物传感中的有效性（图3）。该研究就工程化活体材料提出了一种新的结构平台并拓宽了其在颜色调控和生物传感等方面的功能。
本项创新研究工作中，物质学院跨学科的青年教授凌盛杰、李健、刘一凡课题组强强联合，交叉创新，在材料-生物-信息技术（MT-BT-IT）交叉领域的首次合作。凌盛杰课题组2023级博士研究生彭若铉、李健课题组2021级博士研究生巴方、刘一凡课题组2021级博士研究生李婕为论文共同第一作者，凌盛杰、李健、刘一凡为共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
图1 活体水凝胶纤维（LHFs）平台的设计
图2 可编程的彩色LHFs及基于颜色编码的防伪图案
图3 LHFs用于水体污染物检测