微生物發(fā)酵誘導(dǎo)多孔材料:制備方法和應(yīng)用

田曉康，張青松，楊舒淋，白潔，陳冰潔，潘杰，陳莉，危巖

（1.天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2.分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387；3.中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì),北京 100025；4.天津工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,天津 300387；5.清華大學(xué)化學(xué)系,北京 100084）

早在5000多年以前，人類就已經(jīng)開始利用酵母來(lái)制作發(fā)酵產(chǎn)品，如發(fā)酵面團(tuán)、酵母酶制劑、調(diào)味劑、食品著色劑等.其中，最早在市場(chǎng)上銷售的產(chǎn)品是酵母泥，其特點(diǎn)是發(fā)酵速度快，但運(yùn)輸和使用不方便.經(jīng)過(guò)200余年的發(fā)展工業(yè)，酵母已經(jīng)成為世界上研究最多的微生物之一，是當(dāng)今生物技術(shù)產(chǎn)品研究開發(fā)的熱點(diǎn)和現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展、基因組研究的模式微生物［1］.酵母目前主要分為食品酵母、面包酵母和飼料酵母，無(wú)論何種酵母，均具有完整的細(xì)胞膜、細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞壁、線粒體結(jié)構(gòu)，在有氧或無(wú)氧環(huán)境下均可生存，并產(chǎn)生CO2.有氧環(huán)境下，酵母菌進(jìn)行有氧呼吸，將糖類轉(zhuǎn)化為水和CO2［式（1）］；而在無(wú)氧環(huán)境下，酵母菌進(jìn)行無(wú)氧呼吸，將糖轉(zhuǎn)化為乙醇和CO2［式（2）］.

利用酵母發(fā)酵產(chǎn)生的CO2作為致孔的氣源，通過(guò)在物質(zhì)內(nèi)部氣化產(chǎn)生氣泡可使塑料、橡膠、樹脂、食品和凝膠等形成多孔材料.此類多孔材料多具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、廉價(jià)、制孔快速以及高比表面積和高吸附性能等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于海水脫鹽、染料吸附、電磁屏蔽、能源存儲(chǔ)以及界面自組裝納米復(fù)合材料等領(lǐng)域（圖1），近10年來(lái)相關(guān)研究文獻(xiàn)呈遞增趨勢(shì)（圖2）.這種微生物發(fā)酵技術(shù)和材料的交叉融合逐漸形成一個(gè)新的分支，既屬于活體功能材料范疇，又可稱之為微生物材料學(xué).為歸納該領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展，同時(shí)為后續(xù)研究提供參考，本文基于微生物發(fā)酵多孔材料，特別是本課題組關(guān)于微生物發(fā)酵多級(jí)孔凝膠的工作，首先介紹了多孔材料、多孔水凝膠的分類、制備方法及其基本性質(zhì)；然后，綜合評(píng)述了微生物發(fā)酵誘導(dǎo)多孔材料的制備方法與應(yīng)用；最后，對(duì)微生物發(fā)酵多孔材料的進(jìn)一步研究進(jìn)行了展望.

Fig.1 Applications of porous materials inspired by microbial fermentation

Fig.2 Tendency of published papers upon porous materials inspired by microbial fermentation from 2011 to 2020

1 多孔材料

1.1 多孔材料的特征

多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料.根據(jù)獲取來(lái)源分類的不同，多孔材料可分為天然多孔材料和合成多孔材料；根據(jù)孔徑尺寸的大小，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）于1985年將多孔材料分為大孔材料（孔徑大于50 nm）、介孔材料（孔徑介于2～50 nm之間）和微孔材料（孔徑小于2 nm）3類；2015年，IUPAC對(duì)孔徑分類進(jìn)行了細(xì)分和補(bǔ)充，即納米孔（包括大孔、介孔和微孔，但上限僅到100 nm）、超微孔（孔徑小于0.7 nm的較窄微孔）和極微孔（孔徑大于0.7 nm的較寬微孔）；根據(jù)制備工藝及成品的形貌，多孔材料分為泡沫多孔材料、蜂窩多孔材料和網(wǎng)眼多孔材料.多孔材料具有密度小、孔隙率高、比表面積大、質(zhì)量輕、隔熱、隔音及滲透性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、機(jī)械、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域［2～5］.

1.2 天然與合成多孔材料

天然多孔材料因具有天然的孔隙結(jié)構(gòu)以及良好的生物可降解性和相容性而廣泛存在于自然界中，但其固有的資源有限性導(dǎo)致其難以被廣泛應(yīng)用.而合成多孔材料具有高度可控的孔徑分布、孔隙率、孔洞形貌以及比表面積等，廣泛應(yīng)用于過(guò)濾與分離、催化劑載體、保溫隔熱以及消聲器等領(lǐng)域.

1.2.1 天然多孔材料 經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，天然多孔材料早已在自然界中普遍存在，如木材、骨頭、海綿、珊瑚、沸石及植物葉片等（圖3）.千百年來(lái)，人們廣泛使用著這些天然多孔材料.在公元前約2600年，古埃及金字塔中就已經(jīng)使用了木制建材［圖3（A）］，在羅馬時(shí)代軟木就被用作酒瓶的瓶塞.人類和動(dòng)物的骨骼［圖3（B）］也是一種天然的多孔材料.作為骨的基礎(chǔ)，骨質(zhì)擁有多孔結(jié)構(gòu)，按照孔結(jié)構(gòu)的不同可以分為兩種：一種由多層緊密排列的骨板構(gòu)成，叫作骨密質(zhì)；另一種由薄骨板即骨小梁互相交織構(gòu)成立體的網(wǎng)，呈海綿狀，叫作骨松質(zhì).股骨的兩端是骨松質(zhì)，中部是堅(jiān)硬的骨密質(zhì)，骨中央是骨髓腔.骨的這種結(jié)構(gòu)使其在減輕重量的同時(shí)能夠保持堅(jiān)硬，并具有貯存功能［6，7］.天然海綿［圖3（C）］自古就被作為衛(wèi)浴用品，這是由于天然海綿潤(rùn)濕后孔隙增大、吸水性大幅增強(qiáng)，從而由質(zhì)地較硬不易變形變得柔軟有彈性.珊瑚［圖3（D）］作為最具有代表性的分子篩，是一種可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料，具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)、高的催化活性和熱穩(wěn)定性及耐酸性.圖3（E）是一種斜發(fā)沸石，其主要成分是鋁硅酸鹽礦物，晶體呈透明狀，脫水后具有分子篩的功能，可以從空氣中有選擇性地提取氮并使氧富集，還可以作為離子交換劑，用于處理核廢料等［8～10］.植物的葉片［圖3（F）］也是一種天然的多孔材料，在葉片的表面具有表皮附屬物——毛和氣孔（器），其中氣孔作為植物表皮特有的結(jié)構(gòu)，不僅是氣體和水分進(jìn)出的控制器，還是光合作用和呼吸作用與外界氣體交換的通道.天然多孔材料為合成多孔材料的構(gòu)筑和應(yīng)用提供了無(wú)限的潛力和機(jī)會(huì)，是多孔材料理論和技術(shù)創(chuàng)新不可替代、取之不竭的知識(shí)寶庫(kù)和學(xué)習(xí)源泉.

Fig.3 Several natural porous materials

1.2.2 合成多孔材料借鑒天然多孔材料，研究人員已提出不同致孔機(jī)理制備多孔材料，歸納起來(lái)主要有固相轉(zhuǎn)變機(jī)理、液相轉(zhuǎn)變機(jī)理和雙相轉(zhuǎn)變機(jī)理等3種致孔機(jī)理.以形成沸石為例，其中，固相轉(zhuǎn)變機(jī)理是指沸石晶化過(guò)程總是伴隨著無(wú)定形凝膠固相的形成，無(wú)定形凝膠的結(jié)構(gòu)重排形成沸石，而液相并不參與晶化過(guò)程；相反，液相轉(zhuǎn)變機(jī)理認(rèn)為沸石晶體是從溶液中生長(zhǎng)的，初始凝膠至少是部分溶解到溶液中，形成溶液中具有活性的硅酸根和鋁酸根離子，通過(guò)進(jìn)一步連接構(gòu)成沸石晶體的結(jié)構(gòu)單元，并且逐步形成沸石晶體.而多數(shù)情況下真正的的機(jī)理可能是有固相參與的液相機(jī)理.典型的一種孔結(jié)構(gòu)是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)，因其形狀類似于蜂房而被稱為“蜂窩”材料［11～13］，圖4示出了幾種合成的蜂窩狀多孔材料的結(jié)構(gòu)，包括水熱法合成的蜂窩狀多孔紅磷［圖4（A）］［11］、溶劑誘導(dǎo)相分離法制備的高度有序蜂窩狀結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯薄膜［圖4（B）］［12］和蒸汽退火法制備的1，2-聚丁二烯蜂窩膜［圖4（C）］［13］.

Fig.4 Honeycomb porous structures of different materials

2 多孔水凝膠

2.1 多孔水凝膠的分類

水凝膠（Hydrogel）是一種以水為分散介質(zhì)的凝膠，是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水溶性高分子.在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中通過(guò)引入疏水基團(tuán)（疏水基團(tuán)遇水膨脹）和親水殘基（親水殘基與水分子結(jié)合，將水分子連接在網(wǎng)狀內(nèi)部），使得水凝膠具有遇水只溶脹而不溶解的特點(diǎn).多孔水凝膠（Porous hydrogel）是一種具有較多孔洞和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性軟濕材料.在水凝膠基體中引入多孔結(jié)構(gòu)，不僅能吸收和保留大量的水［14～17］，還可擺脫凝膠尺寸對(duì)水凝膠溶脹/退溶脹速率的限制.2015年，F(xiàn)aheem等［18］根據(jù)水凝膠的物理性能、溶脹性、制備方法、來(lái)源、離子電荷、生物降解率以及交聯(lián)方式的不同，對(duì)水凝膠進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)［圖5（A）］，重點(diǎn)歸納了用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境和工業(yè)中的刺激響應(yīng)型水凝膠，包括pH響應(yīng)水凝膠［19］、溫敏響應(yīng)水凝膠［20］、葡萄糖響應(yīng)性水凝膠［21］及抗原響應(yīng)性水凝膠［22］等.同年，Ahmed等［23］根據(jù)獲取來(lái)源的不同，將多孔水凝膠分為天然水凝膠和合成水凝膠兩類［24］；根據(jù)聚合物組成的不同將多孔水凝膠分為均聚物水凝膠［25］、共聚物水凝膠［26］和多元聚合物互穿聚合水凝膠（IPN）［27］.2015年，Singhal等［28］根據(jù)聚合物網(wǎng)絡(luò)之間的孔徑大小，將多孔水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為無(wú)孔、微孔、大孔（1～100 μm）和超多孔（10～1000 μm）.在大多數(shù)情況下，聚合物難以只從一種單體獲得所需的性能，因此可以使用兩種或多種單體的組合進(jìn)行聚合.根據(jù)單體的性質(zhì)、數(shù)量和比例，多孔水凝膠可分為均聚物、共聚物、多聚物及互穿網(wǎng)絡(luò)等［圖5（B）］.2020年，Sharma等［29］對(duì)生物大分子多孔水凝膠的分類、制備方法及應(yīng)用進(jìn)行了綜合評(píng)述［圖5（C）］.Sharma等根據(jù)交聯(lián)方式的不同，將生物大分子多孔水凝膠分為物理交聯(lián)或自組裝水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠；而根據(jù)多孔水凝膠物理組成的差異，又可分為固態(tài)水凝膠［30］、半固態(tài)水凝膠［31］和液態(tài)水凝膠3種［32］.

Fig.5 Classification of porous hydrogels in different ways

2.2 多孔水凝膠的制備方法

目前，國(guó)內(nèi)外普遍報(bào)道的成孔思路主要集中于冷凍干燥法［33］、相分離法［34］、超臨界CO2發(fā)泡法［35］、模板法［36］、致孔劑法［37］、發(fā)泡法［38～41］、3D打印技術(shù)［42～44］和微生物誘導(dǎo)法等，具體列于表1.從表1可以看出，超臨界CO2流體法與發(fā)泡法都是利用產(chǎn)生的CO2（或其它氣體）來(lái)填充凝膠孔隙以形成孔洞結(jié)構(gòu)，雖然形成的氣體無(wú)毒且環(huán)保，但是所用設(shè)備復(fù)雜且反應(yīng)條件不易控制；冷凍干燥法通過(guò)簡(jiǎn)單的物理過(guò)程（冷凍-升華）達(dá)到致孔的目的，該方法安全環(huán)保，現(xiàn)已成為最基本的致孔方法，但是與模板法和致孔劑法相比，冰晶生長(zhǎng)形態(tài)不易控制，且孔結(jié)構(gòu)不易調(diào)控.而3D打印技術(shù)作為一種新興的增材策略，可高度還原復(fù)雜孔洞形態(tài)，在具有特殊孔結(jié)構(gòu)需求的場(chǎng)合下使用較多，但是成本高且效率較低.

Table 1 Comparison of preparation methods of Porous hydrogel

2.3 多孔水凝膠的基本性質(zhì)

2.3.1 溶脹性傳統(tǒng)水凝膠具有晶狀結(jié)構(gòu)，其聚合物鏈段彈性較低，達(dá)到溶脹平衡需要1～2 d的時(shí)間，高分子鏈間的自由體積形成了傳統(tǒng)水凝膠中的孔隙，可容納的自由水很少，高分子鏈向溶劑中的擴(kuò)散也慢，凝膠韌性低，慢的響應(yīng)速度限制了傳統(tǒng)水凝膠的應(yīng)用.在水凝膠基體中引入多孔結(jié)構(gòu)，除了基于凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成的孔隙以外，發(fā)泡過(guò)程中被凝膠網(wǎng)絡(luò)截留的氣泡形成的有序孔隙使得比表面積大幅增加，從而使水凝膠的溶脹性大幅提升.水凝膠的溶脹度（Q，%）根據(jù)下式計(jì)算：

式中：m（sg）為溶脹狀態(tài)下凝膠的質(zhì)量；m（dg）為干態(tài)下凝膠的質(zhì)量.

Chen等［45］于1998年以碳酸氫鈉為發(fā)泡劑將丙烯酸（AAc）和丙烯酰胺（AM）共聚首次合成了超大孔水凝膠（SPH），所合成的凝膠溶脹速率較快，通常數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)溶脹度可達(dá)幾百倍.但其合成的多孔凝膠由于含水高（95%以上），因而機(jī)械強(qiáng)度差.為提高多孔凝膠的機(jī)械性能，Chen等［46］合成了第二代SPH.通過(guò)加入另一種交聯(lián)的羧甲基纖維素鈉，與聚（丙烯酸-丙烯酰胺）網(wǎng)絡(luò)形成局部纏繞或交聯(lián)，使多孔凝膠的力學(xué)性能略有提高.2004年開始出現(xiàn)第三代SPH，即含有互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（IPN）結(jié)構(gòu)的超大孔水凝膠.Yang等［47］在聚合體系中引入親水性低分子聚乙烯醇鏈，合成半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，明顯提高了多孔凝膠的力學(xué)性能.多孔水凝膠中多孔結(jié)構(gòu)的引入極大地提高了水凝膠的吸水速率和吸水倍率.多孔水凝膠由于高含水量、尺寸可調(diào)的多孔結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性而備受關(guān)注.

2.3.2 機(jī)械強(qiáng)度 多孔結(jié)構(gòu)雖能顯著改善溶脹性，但同時(shí)會(huì)降低機(jī)械強(qiáng)度.在水凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入多孔結(jié)構(gòu)，明顯增加了其孔隙率和孔徑，而孔隙率大小會(huì)直接影響材料的強(qiáng)度.圖6是水凝膠通過(guò)微生物發(fā)酵方式引入多孔結(jié)構(gòu)前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖［48］.根據(jù)下式計(jì)算模量（E，kPa）：

式中：σ（kPa）為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；α為彈性階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線正切角.

由圖6（A）可見(jiàn)，未發(fā)泡的水凝膠具有優(yōu)異的拉伸性能，其拉伸強(qiáng)度為303 kPa，斷裂伸長(zhǎng)率為1510%，彈性模量高達(dá)46.8 kPa；在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入多孔后，拉伸性能變差，其拉伸強(qiáng)度急劇下降至只有18 kPa，其斷裂伸長(zhǎng)率為228%，彈性模量也僅有7.9 kPa.這是由于引入孔結(jié)構(gòu)后，多孔水凝膠孔隙率增大，拉伸強(qiáng)度隨著孔隙率的增加而降低.而孔隙率不僅影響水凝膠的拉伸強(qiáng)度，也影響著水凝膠的抗壓強(qiáng)度.壓縮性能測(cè)試結(jié)果［圖6（B）］顯示，發(fā)泡前后的水凝膠壓縮性能同樣差異明顯，多孔水凝膠壓縮模量?jī)H為17.4 kPa，遠(yuǎn)低于發(fā)泡之前水凝膠的壓縮模量（43.2 kPa）.

Fig.6 Mechanical strength of hydrogel before and after foaming[48]

2.3.3 孔結(jié)構(gòu)參數(shù)表征孔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)有孔隙率、密度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面積.除材質(zhì)外，材料的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料的力學(xué)性能和各種使用性能有決定性的影響.多級(jí)孔材料的孔結(jié)構(gòu)和使用性能主要由原料的物理和化學(xué)性能，尤其是大小、分布和形狀等因素決定.當(dāng)孔隙度不變時(shí)，孔徑小的材料透過(guò)性小，但是由于接觸點(diǎn)較多，因此強(qiáng)度大.多級(jí)孔結(jié)構(gòu)均勻性的判斷依據(jù)是孔徑的分布.表2［49～64］列出了部分文獻(xiàn)報(bào)道的多孔凝膠的孔隙率、密度、比表面積以及孔徑大小.多孔水凝膠以水作為孔隙填充物，除去填充介質(zhì)可以得到類似于氣凝膠的干凝膠.氣凝膠作為世界上最輕的固體之一，其密度在0.003～0.500 g/cm3范圍內(nèi)可調(diào).無(wú)論采用哪種干燥方式，多孔水凝膠的密度可達(dá)到與氣凝膠相當(dāng)?shù)乃?從表2可以看出，多孔水凝膠擁有較高的孔隙率（普遍高于55%）、較低的密度（最低可達(dá)到0.006 g/cm3）、高比表面積（最高可達(dá)到1743 m2/g）和寬孔徑分布（納米級(jí)至毫米級(jí)）.由于多孔水凝膠是一種具有納米、微米甚至毫米級(jí)結(jié)構(gòu)的多孔材料，因此在熱學(xué)、聲學(xué)以及力學(xué)等方面均展示出其獨(dú)特性質(zhì).

Table 2 Pore structure parameters(porosity,density,specific surface area and pore size)of porous hydrogel

3 微生物發(fā)酵誘導(dǎo)制備多孔材料

3.1 微生物發(fā)酵過(guò)程

人類利用發(fā)酵制備各種面食已有久遠(yuǎn)的歷史.隨著技術(shù)的提高，發(fā)酵工程已經(jīng)從過(guò)去單純的利用發(fā)酵產(chǎn)物擴(kuò)展成為生物工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支.微生物發(fā)酵是發(fā)酵工程中常見(jiàn)的一種發(fā)酵方法，早在1857年，法國(guó)微生物家巴斯德就已經(jīng)提出了著名的發(fā)酵理論：“一切發(fā)酵過(guò)程都是微生物作用的結(jié)果”.微生物發(fā)酵技術(shù)就是將發(fā)酵所用的微生物通過(guò)人工培養(yǎng)，再根據(jù)不同的要求去誘發(fā)各種類型材料發(fā)酵的技術(shù).它可以分為固體發(fā)酵和液體發(fā)酵兩種，其中固體發(fā)酵適合于發(fā)酵工藝較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品的生產(chǎn)，而液體發(fā)酵更適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn).之所以利用微生物進(jìn)行發(fā)酵，首先是因?yàn)槲⑸飳?duì)周圍環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)、滲透壓及酸堿度等條件具有極大的適應(yīng)能力，同時(shí)微生物自身還具有極強(qiáng)的繁殖能力.此外，原料豐富、生產(chǎn)條件溫和、產(chǎn)量大且產(chǎn)品多等眾多優(yōu)勢(shì)，使微生物在發(fā)酵行業(yè)得到普遍應(yīng)用.

3.2 酵母菌發(fā)酵誘導(dǎo)多孔凝膠

受微生物發(fā)酵工程的啟發(fā)，Zhang等［65］于2012年首次提出了酵母菌發(fā)酵和凝膠化作用協(xié)同成孔的學(xué)術(shù)思路和微生物誘導(dǎo)水凝膠（MIH）的概念.利用微生物發(fā)酵工程優(yōu)勢(shì)，可克服傳統(tǒng)制備多孔凝膠需要特殊設(shè)備、操作復(fù)雜、后處理繁瑣、化學(xué)藥品污染和成本昂貴等缺點(diǎn).所制備的水凝膠具有類面包結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔結(jié)構(gòu).至此，一種由微生物發(fā)酵誘導(dǎo)制備多孔凝膠的設(shè)計(jì)思想被眾多研究人員所關(guān)注并借鑒.2015年，Zhang等［66］進(jìn)一步闡明了溫度對(duì)酵母發(fā)酵能力、氣泡聚結(jié)、凝膠時(shí)間和溶脹行為的影響，指出在35℃和40℃下，發(fā)酵速率達(dá)到最大，CO2產(chǎn)量最大；隨著反應(yīng)溫度從25℃提高到50℃，多孔水凝膠的凝膠化時(shí)間從25 min降到7.5 min；當(dāng)反應(yīng)溫度為35℃時(shí)，20 min可達(dá)到最大平衡溶脹狀態(tài)，最大溶脹度為10.2 g/g，分別是25℃和30℃下的2.5倍和1.6倍.2016年，張敏等［67］采用微生物發(fā)泡法，以酵母菌作為微生物發(fā)泡劑，結(jié)合循環(huán)冷凍-解凍法制備了聚乙烯醇（PVAL）/羧甲基纖維素（CMC）多孔復(fù)合材料.通過(guò)單因素試驗(yàn)探討了酵母菌與葡萄糖比例（Y/G）、發(fā)泡時(shí)間、發(fā)泡溫度和CMC與PVAL比例（CMC/PVAL）對(duì)發(fā)泡效果的影響，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化了發(fā)泡條件.2018年，施小寧等［68］以1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）活化丙烯酸（AA）羧基與小麥膚質(zhì)蛋白（WG）接枝交聯(lián)，以酵母發(fā)酵淀粉產(chǎn)生的CO2為模板，通過(guò)自由基聚合制備了聚丙烯酸鈉多孔復(fù)合水凝膠.動(dòng)力學(xué)分析表明孔狀網(wǎng)絡(luò)有利于水分子在凝膠內(nèi)部進(jìn)行快速擴(kuò)散，溶脹-退溶脹循環(huán)試驗(yàn)表明該多孔水凝膠同時(shí)具有可逆且靈敏的pH和NaCl敏感性，為該水凝膠在藥物控釋領(lǐng)域應(yīng)用提供了無(wú)限的可能性.2018年，Joshi等［69］在其綜合評(píng)述中指出酵母菌和凝膠的交叉融合屬于工程活性材料（ELM）的范疇，他們認(rèn)為ELM利用生物系統(tǒng)的自適應(yīng)響應(yīng)、自我復(fù)制潛力和強(qiáng)健性來(lái)進(jìn)行新材料的程序組裝和調(diào)制.這些材料可通過(guò)遺傳、空間模式設(shè)計(jì)或化學(xué)手段而實(shí)現(xiàn)工程化或多功能化.作為一種將合成材料與生物系統(tǒng)相結(jié)合的生物混合裝置，ELM可用作微型甚至大型結(jié)構(gòu)材料，或用于特殊應(yīng)用，如生物催化或毒素隔離.2018年，Xing等［70］將酵母發(fā)酵過(guò)程和凝膠膜形成過(guò)程完美結(jié)合，開發(fā)出具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的酵母菌/葡萄糖/海藻酸鈣/絲膠/京尼平凝膠膜，利用海藻酸鈉/Ga2+的離子交聯(lián)機(jī)理，構(gòu)建了水凝膠的第二交聯(lián)網(wǎng)絡(luò).值得注意的是，所形成的水凝膠膜表現(xiàn)為低透明度、寬孔徑分布（5 nm～1 mm）和高疏水性等.2020年，張敏等［71］利用酵母菌發(fā)泡制備了聚乙烯醇/羧甲基纖維素多孔水凝膠（D-PC），研究結(jié)果表明，酵母菌的制孔作用明顯提高了水凝膠對(duì)亞甲基藍(lán)（MB）的吸附，且酵母菌的量越多對(duì)MB的吸附性越好.此外，酵母菌代謝產(chǎn)生的酶對(duì)材料中的PVA進(jìn)行了降解，減少了廢棄后材料可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的二次污染.

由圖7（A）可見(jiàn)，與部分其它多孔材料及多孔凝膠支架等材料相比，通過(guò)微生物誘導(dǎo)方式制備的聚丙烯酰胺多孔材料在保持有寬孔徑分布的同時(shí)也展現(xiàn)出了超高的孔隙度（高達(dá)約93%），這得益于MIH具有微生物發(fā)酵形成的特殊結(jié)構(gòu)，圖7（C）～（E）分別展示了MIH的表面、斷面以及外觀形貌，不難看出在水凝膠內(nèi)外形成了大孔套小孔以及超大孔均勻分布的多級(jí)孔結(jié)構(gòu).此外，通過(guò)微生物發(fā)酵誘導(dǎo)制備的多孔凝膠，其密度可調(diào)控低至0.0518 g/cm3［圖7（B）］，將MIH置于花蕊頂端時(shí)，花蕊仍保持原本的直立狀態(tài)，可以證明MIH材料質(zhì)輕、密度較小的特點(diǎn)［48］.

Fig.7 Comparison of pore structure parameters between porous gel materials inspired by Microbial Fermentation and other porous materials[48]

在已有的研究中，微生物發(fā)酵致孔技術(shù)不僅用于多孔水凝膠的制備，還用于制備生物復(fù)合納米材料等.作為一種新型致孔方式，微生物發(fā)酵誘導(dǎo)技術(shù)在諸多領(lǐng)域已有非常實(shí)際的應(yīng)用.

3.3 微生物誘導(dǎo)多孔材料的應(yīng)用

多級(jí)孔材料沖破傳統(tǒng)上單一孔的束縛，將不同級(jí)孔的優(yōu)勢(shì)集中起來(lái)，因此被研究人員越加重視［72～75］.多級(jí)孔材料不僅兼具各種單一孔材料的優(yōu)點(diǎn)，還具有單一孔結(jié)構(gòu)所不具備的分級(jí)優(yōu)勢(shì)，這使多級(jí)孔材料具備多種孔道結(jié)構(gòu)、高的熱穩(wěn)定性、大比表面積和大的孔容以及良好的擴(kuò)散性和存儲(chǔ)性等，因此在染料吸附、海水脫鹽、電磁屏蔽以及新型功能性生物材料的制備等領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景.

3.3.1 染料吸附 有機(jī)物污染是水體污染的一種類型.當(dāng)水中碳?xì)浠衔锛捌溲苌餄舛劝l(fā)生異常時(shí)，有機(jī)污染物在水中存在時(shí)間變長(zhǎng)，易在土壤中流動(dòng)，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量惡化，危害水生生物生存，威脅人畜健康.目前在有機(jī)污染物中，農(nóng)藥、酚類化合物和藥品是亟需注意的新興污染物.2003年，歐盟禁止使用了致癌性阿拉特津（除草劑）.世界衛(wèi)生組織（WHO）指出，目前常用除草劑噻草平濃度低于0.5 mg/L時(shí)不會(huì)威脅人體健康.雙酚A是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一，多用于塑料用品的制造.該塑料成品在日常生活中應(yīng)用廣泛，其安全性問(wèn)題便成為了公眾關(guān)注的焦點(diǎn).歐洲食品安全管理局指出人體每日攝入的雙酚A的安全濃度低于50 μg/kg.

有機(jī)物水污染物處理方法包括過(guò)濾法、吸附法和降解法.這些方法雖然有效果，但是都存在一定的弊端.比如降解法，雖然可去除原污染物，但是可能產(chǎn)生新的有毒代謝物；采用吸附法時(shí)，活性炭盡管有很強(qiáng)吸附能力，可以清除水中污染物，是理想的吸附材料，但是活性炭制作過(guò)程耗能大，成本高，且產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2，不具備經(jīng)濟(jì)環(huán)?？沙掷m(xù)的特點(diǎn).陽(yáng)離子染料結(jié)晶紫（CV）屬于三苯甲烷類，通過(guò)簡(jiǎn)單的接觸、攝入或吸入CV，都會(huì)對(duì)皮膚、黏膜和呼吸系統(tǒng)有害.Xing等［70］利用微生物誘導(dǎo)法制備出具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的酵母菌/葡萄糖/海藻酸鈣/絲膠/京尼平凝膠膜（MIHM），為考察CV接觸時(shí)間對(duì)吸附容量的影響，將所有MIHM樣品浸入30 mL濃度為10 mg/L的25℃CV水溶液中.在吸附過(guò)程中，每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣測(cè)試，通過(guò)紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)（TU-1901），在λmax=584 nm波長(zhǎng)下測(cè)試分析CV的濃度.在時(shí)間t1被MIHM水凝膠膜吸附的CV的量q（tmg/g）根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：V（mL）是溶液體積；m（g）是冷凍干燥后的MIHM水凝膠膜樣品的質(zhì)量；c0（mg/mL）和ct（mg/mL）分別是初始和指定時(shí)間的CV濃度.

研究結(jié)果（圖8）表明，當(dāng)CV的初始濃度為10 mg/L時(shí)，MIHM凝膠膜的最大吸附量為8.78 mg/g.根據(jù)膜的重量和孔隙率，MIHM水凝膠膜在10 mg/L的CV下的吸附能力為5.97～18.40 mg/g，說(shuō)明MIHM的最佳孔徑與CV有關(guān).動(dòng)力學(xué)研究表明，分散染料的吸附可以很好地用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程定義，具有較高的相關(guān)系數(shù)（R2＞0.97）.該工作為今后利用發(fā)酵法制備多孔水凝膠膜奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

Fig.8 Effect of contact time on CV adsorption capacity(10 mg/L)of prepared MIHM hydrogel membranes[70]

張敏等［71］研究了由酵母菌發(fā)泡制備的聚乙烯醇/羧甲基纖維素多孔水凝膠（D-PC）在不同條件下對(duì)亞甲基藍(lán)（MB）的吸附效果，并分析了D-PC對(duì)MB的吸附機(jī)制.MB的吸附率（η，%）根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：c0（mg/L）為MB的初始濃度；ce（mg/L）為吸附平衡后MB的濃度；η（%）為MB吸附率.

酵母菌發(fā)泡法制備的多孔水凝膠增加了材料的孔徑（從12.3 nm增加到20.2 nm）和比表面積（從1.56 m2/g增加到3.1 m2/g）.吸附研究表明：MB初始濃度的增加有助于提高D-PC對(duì)MB的吸附率，當(dāng)MB初始濃度為50 mg/L時(shí)，伴隨著酵母菌投料量的增加，吸附率也逐漸增大，最高可達(dá)90%以上.

通過(guò)微生物發(fā)酵技術(shù)得到的多孔水凝膠不但可以有效地吸附水環(huán)境中的有機(jī)污染物，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染.該材料來(lái)源廣且成本低，在染料吸附領(lǐng)域有望成為環(huán)境友好型的吸附材料.

3.3.2 海水脫鹽 淡水資源短缺一直是限制當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的主要因素.與日漸緊張的內(nèi)陸湖泊江河等淡水資源相比，海洋水體占據(jù)了世界上絕大部分的水資源儲(chǔ)量，因此將海洋水體轉(zhuǎn)化為可以加以利用的淡水資源近年來(lái)受到研究人員的廣泛關(guān)注.與多級(jí)閃蒸及反滲透等傳統(tǒng)的大規(guī)模海水淡化工藝相比，太陽(yáng)能蒸發(fā)因其合理利用可再生太陽(yáng)能能源、低成本、不受場(chǎng)地限制、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，漸漸成為極具應(yīng)用前景的海水淡化手段.太陽(yáng)能界面蒸發(fā)使用可持續(xù)的太陽(yáng)能來(lái)凈化海水和污水.光熱蒸發(fā)材料的形狀和內(nèi)部通道尺寸對(duì)于調(diào)節(jié)三維（3D）蒸發(fā)設(shè)備的熱量利用率和供水速率至關(guān)重要.

受本課題組微生物發(fā)酵誘導(dǎo)多孔水凝膠的啟發(fā)，Liang等［56］將聚乙烯醇（PVA）、粉末活性炭、葡萄糖和酵母組成的溶液置于40℃的烘箱中，酵母菌的發(fā)酵過(guò)程即被觸發(fā)產(chǎn)生大量CO2氣體，通過(guò)凝膠和固定化工藝，得到外形和內(nèi)部孔道可調(diào)的聚乙烯醇多孔水凝膠［圖9（A）］.使用普通冰箱在-20～25℃之間進(jìn)行3次簡(jiǎn)單的凍-融循環(huán)，隨后發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)被固定在水凝膠中，最終構(gòu)建出多孔的光熱蒸發(fā)材料（FPH）.通過(guò)將不同形狀的模具用于聚乙烯醇水凝膠的凝膠化過(guò)程，可以制備不同3D形狀的蒸發(fā)裝置［圖9（B）］.同時(shí)，通過(guò)控制發(fā)酵時(shí)間［圖9（C）］來(lái)調(diào)節(jié)多孔水凝膠的內(nèi)部通道尺寸，發(fā)現(xiàn)在最初的50 min內(nèi)孔隙尺寸和孔隙率逐漸增加，密度法計(jì)算出50 min內(nèi)孔隙率的變化（0～73.4%）.該發(fā)酵過(guò)程需50 min，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，氣泡逐漸破裂.此外，采用壓汞法（MIP）測(cè)量?jī)龈蒄PH-30（發(fā)酵時(shí)長(zhǎng)為30 min的FPH）的孔徑、比表面積和孔隙率，在206 MPa下分別為21.34 μm，0.275 m2/g和42.95%.

Fig.9 Schematic images of preparation process of FPHs(A),castability of FPHs using different shape of molds(B)and time-regulated internal-channel size of FPHs(C)[56]

研究結(jié)果表明，發(fā)酵是一種高效的快速形成孔和簡(jiǎn)單地調(diào)整通道大小的方法，其靈活性極強(qiáng)，能夠在特定的光強(qiáng)下匹配水蒸發(fā)所需的供水速率，有利于在不同輻射強(qiáng)度的地區(qū)進(jìn)行高效脫鹽.生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有殘留化學(xué)試劑，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，效率高.微生物發(fā)酵的靈感為多功能蒸發(fā)材料的合成提供了極其有用的幫助，并有望被迅速用于簡(jiǎn)單制備可調(diào)節(jié)的多功能材料，如比表面積大的催化劑、光降解材料和光熱殺菌材料等.

3.3.3 電磁屏蔽 隨著現(xiàn)代化電子工業(yè)的快速發(fā)展，電磁干擾（EMI）或輻射能夠影響電子器件本身的正常工作狀態(tài)或給生物體的健康帶來(lái)了潛在的威脅，迫切需要制備具有高EMI屏蔽性能的電磁屏蔽材料.特別是隨著智慧照明和可穿戴設(shè)備的發(fā)展，迫切需要尺寸小、質(zhì)量輕、柔韌性好、疏水性強(qiáng)、EMI屏蔽性能好的材料.基于納米材料（碳納米材料、MXene或金屬納米材料）優(yōu)異的力、電性能及所具有的小尺寸大比表面積特征，有效設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的宏觀構(gòu)筑體，使其具有優(yōu)秀的EMI屏蔽性能獲得大量的關(guān)注.此外，在自支撐的EMI屏蔽材料中引入多孔狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加入射電磁波在屏蔽材料內(nèi)的反射次數(shù)（多重反射）可以有效提高屏蔽效能（SE）.

碳泡沫（CF）具有相互連接的三維蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這使它們具有許多引人入勝的性能，包括：質(zhì)量輕、可調(diào)節(jié)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、耐高溫和沖擊阻尼特性等.因此，碳泡沫被廣泛應(yīng)用于熱管理、航空航天、儲(chǔ)能和阻尼吸收等領(lǐng)域.盡管石墨烯已經(jīng)廣泛用于制造大塊體泡沫，但所制備的泡沫機(jī)械穩(wěn)定性較差.此外，制備石墨烯泡沫操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)且成本較高，使得石墨烯泡沫的大規(guī)模生產(chǎn)相當(dāng)困難.因此，開發(fā)一種環(huán)境友好且廉價(jià)的方法來(lái)制備機(jī)械剛性泡沫仍然是巨大的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn).Yuan等［76］借鑒微生物誘導(dǎo)發(fā)酵水凝膠多孔材料的思想制備了一種具有良好機(jī)械穩(wěn)定性、高電磁屏蔽效率和熱穩(wěn)定性的可控多級(jí)結(jié)構(gòu)的碳泡沫材料.多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可通過(guò)一系列性能測(cè)試進(jìn)一步證明.基于面包制作過(guò)程來(lái)初步制作泡沫干面包.隨后的碳化過(guò)程如圖10（A）所示，在氬氣氣氛中簡(jiǎn)單碳化后，干面包轉(zhuǎn)化為碳泡沫.與干面包相比，孔結(jié)構(gòu)的原始形狀保持不變，但尺寸減小.這個(gè)過(guò)程包括兩個(gè)反應(yīng)：脫水和碳化.在碳化期間，會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

碳泡沫材料繼承了面包的形狀和原始的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠承受相當(dāng)大的載荷而不變形.數(shù)據(jù)顯示：測(cè)試的碳泡沫的最大壓縮強(qiáng)度約為3.6 MPa，密度可低至0.29 g/cm3，其壓縮模量約為121 MPa，高于之前報(bào)道的相同密度的碳泡沫的值，且碳化溫度為1000℃時(shí)，泡沫碳的電導(dǎo)率為0.26 S/cm.厚度為3 mm的CF在6.0～12.4 GHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)得的屏蔽效能約為15.7 dB.EMI屏蔽效能的增加主要?dú)w因于互連的分級(jí)碳孔網(wǎng)絡(luò).由圖10（B）可見(jiàn)，增大的孔可以通過(guò)在單元壁之間的反射和散射來(lái)衰減入射的電磁微波，并且微波在被吸收并轉(zhuǎn)為熱量之前難以從CF中逃逸.結(jié)果還表明，電磁干擾屏蔽效率隨著CF厚度的增加而提高.由圖10（C）可見(jiàn)，厚度為4 mm和5 mm的CF的EMI屏蔽效率分別約為16.3 dB和17.2 dB.對(duì)于飛機(jī)或航空應(yīng)用，必須考慮密度.比EMI屏蔽效能（EMI屏蔽效能除以密度）更適合用于比較典型金屬和CF之間的屏蔽性能.該作者通過(guò)測(cè)量計(jì)算出CF（厚度為3 mm）的比EMI屏蔽效能為71.36 dB·cm3·g-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬屏蔽材料實(shí)心銅的比EMI屏蔽效能（為10 dB·cm3·g-1）.

Fig.10 Raw diagram for the fabrication of carbon foam derived from bread(A),schematic representation of microwave transfer across the hierarchical pore structure of CF(B)and EMI shielding efficiency of carbon foam(carbonized at 1000℃)(C)[76]

這種制造方案不僅提高了對(duì)電磁干擾屏蔽效率，還可以廣泛應(yīng)用于其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，用于各種輕質(zhì)、低熱導(dǎo)率材料的技術(shù)開發(fā).該制備過(guò)程綠色環(huán)保、價(jià)格低廉且操作簡(jiǎn)單，在隔熱多孔材料等制備過(guò)程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

3.3.4 新型功能性生物材料 碳納米管（CNTs）是當(dāng)今工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的無(wú)機(jī)材料，其可作為一個(gè)可調(diào)諧的平臺(tái)，以模擬細(xì)胞在納米結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)時(shí)所發(fā)生的變化.而設(shè)計(jì)微生物與納米材料之間界面上微生物的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)機(jī)制是一個(gè)尚未探索的領(lǐng)域.在最近的幾項(xiàng)研究中，CNTs被證明是酶和細(xì)胞應(yīng)用中非常有用的電子轉(zhuǎn)移劑.考慮到CNTs的導(dǎo)電性質(zhì)，微生物與碳納米管之間的相互作用可以用來(lái)制備具有出色電學(xué)性質(zhì)的仿生納米材料.因?yàn)榧嬗猩锊牧虾头巧锊牧系膬?yōu)點(diǎn)：生物材料可以進(jìn)行自組裝；非生物材料又具有電子運(yùn)輸?shù)裙δ?，所以這種生物材料可以被認(rèn)為是仿生納米復(fù)合材料.

基于此，Luca等［77］報(bào)道了在CNTs水分散體中，通過(guò)酵母提取物直接生產(chǎn)啤酒酵母細(xì)胞/CNTs復(fù)合物［圖11（A）］.對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試后，觀察到其拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和韌性都得到了提升［圖11（B）］.電學(xué)和光學(xué)分析表明，在CNTs存在下啤酒酵母提高了復(fù)合膜的電導(dǎo)率和光電活性.Luca等［78］開發(fā)了一種簡(jiǎn)單而通用的方法來(lái)制備各種納米相的多孔復(fù)合材料.如圖12（A）所示，將酵母的水分散液、石墨烯納米片（GNPs）或碳納米管（GNTs）添加在油/水界面，由于浮力作用，酵母被糖活化后產(chǎn)生了副產(chǎn)物CO2，氣泡將從水相遷移到油/水界面，在界面形成浮動(dòng)的納米結(jié)構(gòu)膜.在這個(gè)過(guò)程中，CO2一旦與油/水界面接觸便會(huì)收縮，這有利于石墨烯納米片或碳納米管薄膜在界面處進(jìn)行自組裝.從這個(gè)簡(jiǎn)單的方法出發(fā)，Luca等進(jìn)一步提出了一個(gè)在不互溶的液體界面上穩(wěn)定一些較難處理的聚合物顆粒的通用方法，他們將這種思路擴(kuò)展到制備難控制聚合物的自組裝過(guò)程中［圖12（B）］.例如將聚醚醚酮（PEEK）顆粒吸附在這種改性后的油/水界面上并進(jìn)行自組裝，穩(wěn)定之后，進(jìn)一步燒結(jié)成具有多孔結(jié)構(gòu)、隔熱性良好且力學(xué)性能優(yōu)異的納米復(fù)合材料.這種材料在質(zhì)輕的結(jié)構(gòu)部件、減震器、航空用的隔熱材料和組織工程上使用的強(qiáng)固支架材料等領(lǐng)域都有較大的應(yīng)用前景.

Fig.11 Schematic representation and appearance of the fermentation-mediated assembly of carbon nanotubes and yeast cells(A)and stress-strain curves obtained from tensile tests on fermented yeast sample(green curve)and yeast/CNT composites prepared before fermentation(blue curve)and after fermentation(red curve)(B)[77]

上述研究為這類仿生結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和開發(fā)開辟了道路，從而實(shí)現(xiàn)新型功能性生物材料的合成，如在具有多功能特性的物理智能物體的制造中，在功能組織、能量存儲(chǔ)和光收集應(yīng)用領(lǐng)域中.酵母是一個(gè)細(xì)胞工廠，它能夠從環(huán)境中攝取糖等簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)，并在溫和的溫度下合成生長(zhǎng)所需的新元素.此外，在自然界中許多這樣的微生物在其生長(zhǎng)期間能夠黏附于不同的表面，并形成相應(yīng)的生物膜.例如，納米材料和水的混合溶液可以與微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)混合，在消化過(guò)程發(fā)生后賦予最終合成的材料以新的優(yōu)異性能.因此，微生物在納米材料存在的情況下進(jìn)行發(fā)酵可能是一種可行的創(chuàng)造生物復(fù)合材料的新方法.

Fig.12 Schematic illustration of the assembly process of the GNPs(CNTs)(A)and optical microscope image of oil-water interface prepared with PEEK particles and GNPs(B)[78]

4 總結(jié)與展望

本文從近年來(lái)制備多孔材料的方法出發(fā)，從酵母菌發(fā)酵致孔的角度，較為系統(tǒng)地綜述了微生物發(fā)酵誘導(dǎo)制備多孔材料的研究和應(yīng)用進(jìn)展.微生物誘導(dǎo)發(fā)酵的制備方法克服了傳統(tǒng)制備多孔材料需要特殊設(shè)備、操作復(fù)雜、后處理繁瑣、化學(xué)藥品污染和成本昂貴等的缺點(diǎn)，不僅為多孔材料的形成提供了一種全新的思路，而且該方式所制備的材料具有類面包結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)（超大孔、大孔和微孔）.另外，基于此方法諸多的優(yōu)勢(shì)，已有研究人員在染料吸附、海水蒸發(fā)脫鹽、電磁屏蔽、界面自組裝等領(lǐng)域開始應(yīng)用.通過(guò)綜述微生物誘導(dǎo)發(fā)泡的應(yīng)用進(jìn)展，不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法在諸多材料中發(fā)泡的可行性，而且為微生物誘導(dǎo)發(fā)酵方式在其它材料（如金屬材料、陶瓷材料以及其它高分子材料）中發(fā)泡通用性的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考價(jià)值.

與傳統(tǒng)制備多孔材料的方法相比，傳統(tǒng)制備多孔材料的方法確實(shí)有助于利用許多金屬、陶瓷以及其它高分子材料等構(gòu)筑高度可控、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大的泡沫結(jié)構(gòu)或多孔骨架，其應(yīng)用也愈加廣泛；但是作為一種“師法自然”的制備手段，相比于諸多使用化學(xué)發(fā)泡劑、設(shè)備復(fù)雜的方法，微生物誘導(dǎo)制備多孔材料的方法可操作性大、成孔快速、無(wú)毒無(wú)害且可大大降低制備成本，通過(guò)引入諸多功能單體或添加劑，各種功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn).然而，近年來(lái)對(duì)于酵母菌的研究主要集中在釀酒、生物降解、表面活性劑等領(lǐng)域，而針對(duì)酵母菌發(fā)酵致孔誘導(dǎo)多孔材料的構(gòu)筑卻鮮有報(bào)道.

目前來(lái)看，微生物誘導(dǎo)發(fā)泡的方法主要是采用酵母菌作為發(fā)泡劑在聚合物內(nèi)部膨脹來(lái)制備，就像制作面包一樣，先把酵母菌和面粉混合均勻揉成面團(tuán)，酵母菌產(chǎn)生的CO2在熱的作用下膨脹使實(shí)心面團(tuán)變?yōu)榕钏审w.盡管利用該簡(jiǎn)便而有效的策略可以制備多孔材料，但是對(duì)于該方法的研究仍有以下兩個(gè)難點(diǎn)亟待進(jìn)一步解決：

（1）明確成孔機(jī)理.多級(jí)孔結(jié)構(gòu)形成過(guò)程一般經(jīng)歷氣體體系形成、泡孔形核、泡孔生長(zhǎng)及泡孔穩(wěn)定等4個(gè)階段.其中，泡孔形核和生長(zhǎng)是最關(guān)鍵的部分，它直接決定了凝膠體系中泡孔孔密度和氣泡的均勻性.聚合物的發(fā)泡過(guò)程決定了其泡孔結(jié)構(gòu)的形成，泡孔結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物材料的力學(xué)性能有很大的影響，對(duì)力學(xué)性能的影響又決定了其是否能在更廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用.因此，在氣泡化和凝膠化協(xié)同作用下，闡明泡孔在凝膠基體中的氣泡形核和生長(zhǎng)機(jī)理，確定氣泡成核和生長(zhǎng)速率的最優(yōu)內(nèi)外因素，對(duì)其應(yīng)用有重要的意義.

（2）精準(zhǔn)調(diào)控孔結(jié)構(gòu).通過(guò)微生物發(fā)酵可以獲得具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔材料.但是某些特殊的材料對(duì)多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的需求很少，例如在制備電池電極材料時(shí)，大量的孔隙結(jié)構(gòu)不利于材料體積性能的提高，大孔或微孔的存在大大限制了離子快速傳輸.而微生物發(fā)酵過(guò)程中，氣體的產(chǎn)生以及氣泡的長(zhǎng)大和合并都是多級(jí)孔形成的關(guān)鍵性因素.因此，如何精準(zhǔn)地控制微觀泡孔形貌和宏觀泡沫結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)難點(diǎn).

通過(guò)評(píng)估微生物發(fā)酵多孔材料的開發(fā)，并高度重視將其用于吸聲、降噪以及生物醫(yī)用材料的可行性研究，為多孔材料的制備簡(jiǎn)便化、低成本化、材料功能化、工業(yè)化和活性化提供一條清晰的路徑.但基于微生物發(fā)酵策略制備多孔材料的工業(yè)化還只是在探索階段，該過(guò)程需要來(lái)自不同領(lǐng)域和專業(yè)的專家們緊密合作.隨著新技術(shù)的發(fā)展，微生物發(fā)酵誘導(dǎo)多孔材料的制備方法將會(huì)越來(lái)越成熟，這種方法也將成為今后多孔材料科學(xué)發(fā)展的發(fā)展趨勢(shì)之一.