1.本公开涉及可穿戴纺织品领域，更具体地说，涉及一种包含活微生物的可穿戴纺织品以及一种制造这样的纺织品的方法。
背景技术：
：：2.传统上认为纺织品的性能是指纺织品的与其机械性能相关的特性，例如拉伸性、弯曲性、隔热性、抗水性、透气性、吸潮性、耐久性、手感、合身性、质地以及物理和化学稳定性。虽然这些特性很有价值，但是现代消费者的期望已经增长到包括改进的性能、多样化的能力和低环境足迹。例如，希望新的织物具有更先进的特性，例如，包含记录和报告生理信号并对生理信号做出响应的电子可穿戴装置，所述生理信号例如是心率、出汗量、溶解血氧量、过度紧张、不平衡的运动、步数、压力等。3.活微生物通常形成在机械和化学上很坚固的细胞和细胞外物质的复合物。这些被称为生物膜的复合物已被证明包含持续感知其环境和对环境做出响应的活细胞。生物膜是一种或更多种细胞和细胞外基质成分的复杂复合物，该复合物将细胞锚定在位。生物膜可以被基因修饰以表现出各种各样的期望属性。4.因此，仍然需要一种对其周围环境更积极地响应的纺织品。技术实现要素：5.在一个方面中，提供了一种生物膜增强纺织品。所述生物膜增强纺织品包括纺织品以及包含一种或更多种微生物和细胞外物质的生物膜。这些微生物被工程改造成在它们的表面上表达蛋白质，以附着到纺织品上。所述生物膜作为检测纺织品内或纺织品周围的环境的变化并通过产生响应来做出反应的生物传感器。生物膜的响应可以调整、调节或改变纺织品的一种或更多种特性。6.在另一个方面中，本公开提供了一种生物膜增强纺织品，其包括：纺织品；以及包含一种或更多种微生物和细胞外物质的生物膜，所述一种或更多种微生物被工程改造成在细胞表面上表达一种或更多种蛋白质以附着到纺织品上，并且表达一种或更多种对纺织品内或纺织品周围的环境的变化做出响应的基因。7.在各种实施例中，所述响应影响纺织品的特性。8.在各种实施例中，所述纺织品周围的环境的变化是过多的汗液，并且所述一种或更多种微生物被工程改造成表达一种或更多种产生香味的基因。例如，所述一种或更多种产生香味的基因是agpps2和ls。9.在各种实施例中，所述纺织品内的变化是机械应力，并且所述一种或更多种微生物被工程改造成表达一种或更多种产生纳米纤维的基因。例如，所述一种或更多种产生纳米纤维的基因是csga。10.在各种实施例中，所述一种或更多种蛋白质是细菌纳米纤维。例如，所述细菌纳米纤维是curli纤维、细菌纤维素、或者curli纤维和细菌纤维素。例如，所述细菌纳米纤维可以被工程改造成结合或中和病毒。11.在各种实施例中，所述一种或更多种微生物是大肠杆菌、表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母、铜绿假单胞菌、多形拟杆菌、它们的衍生物、或者前述微生物的任何组合。例如，所述一种或更多种微生物是大肠杆菌或其衍生物。12.在另一个方面中，本公开提供了一种制备如本文所限定的生物膜增强纺织品的方法，该方法包括改造一种或更多种微生物以在细胞表面上表达一种或更多种蛋白质，从而将细胞粘附到纺织品上，并且表达一种或更多种对纺织品内或纺织品周围的环境的变化做出响应的基因，并将纺织品与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合。13.在各种实施例中，所述一种或更多种微生物的生长培养物通过倾倒、用工具施用或喷洒与纺织品整合，或者直接在纺织品上生长。14.在各种实施例中，通过施加机械压力、气动压力、真空过滤或离心将所述一种或更多种微生物的生长培养物压入纺织品中。15.在各种实施例中，所述方法还包括确定纺织品上的生物膜的密度。16.在各种实施例中，所述方法还包括在与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合之前拉伸纺织品。17.在各种实施例中，所述方法还包括对与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合的纺织品进行化学处理，以加强所述一种或更多种微生物与所述纺织品之间的结合。18.在各种实施例中，所述方法还包括用干燥的营养物质或防腐剂对与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合的纺织品进行干燥、冻干、上浆或播种。19.除了上述的方面和实施例之外，通过参考附图并研究以下详细说明，本发明的其他方面和实施例将变得明显。附图说明20.图1示出了根据本发明的一个实施例的制造生物膜增强纺织品的方法的一个实例的示意图。21.图2示出了作为对照图像的在其中未整合生物膜的纺织品的显微图像(上排图像)以及在其上散布有浓缩生物膜培养物并孵育24小时的纺织品的显微图像(下排图像)。22.图3示出了在扫描电子显微镜下研究的生物膜增强纺织品的实例的显微图像。图3a示出了通过在浓缩生物膜溶液中孵育而形成的棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图3b示出了通过在浓缩生物膜溶液中孵育而形成的pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。23.图4示出了生物膜增强纺织品的实例的显微图像，其中示出了生物膜在随着时间的推移水合时的“自我修复”特性。24.图5(右图)示出了没有生物膜的对照纺织品(“对照物”)的显微图像和具有不同浓度的生物膜的生物膜增强纺织品的三个图像。图5(左图)示出了对右侧图像中示出的纺织品进行的拉伸试验的结果。25.图6示出了在扫描电子显微镜下研究的生物膜增强纺织品的实例的显微图像。图6a示出了通过在纺织品上进行糊剂沉积而形成的棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图6b示出了通过在纺织品上进行糊剂沉积而形成的pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。26.图7示出了用于测试纺织品中的生物膜表达的一个实例的示意图。27.图8示出了在室温下储存并添加生长培养基或水之后从细胞样品得到的溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。28.图9示出了在冻干并添加生长培养基或水之后从细胞样品获得的溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。29.图10示出了在纺织品上孵育生物膜之后pqn4细胞和csga转化细胞的浓缩生物膜溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。30.图11示出了在切割并使用lb生长培养基(图11a)或水(图11b)再次水合后的纺织品的扫描电子显微镜图像。31.图12示出了结合如本文所述的生物膜的切割纺织品的照片(图12a)、以及生物膜再次水合和生长之后愈合或修复纺织品的照片(图12b)。具体实施方式32.在本公开的背景下，各种术语是按照其所被理解的通常含义使用的。33.本公开涉及一种纺织品，该纺织品具有作为生物膜整合到其中的活微生物。通过将微生物整合到纺织品材料中，纺织品能够吸收微生物的特性，例如，诸如病原性细菌或病毒等毒素的检测和修复。这些特性又能够被赋予到基础纺织品-生物膜系统上。例如，微生物能够感知环境信号，并通过在纺织品中产生化学和物理变化来做出响应。此外，生物膜的生物学性质意味着它可以来源于容易再生的原材料，并且在处理后能够生物降解。34.术语“生物膜”指其中的细胞彼此粘附并附着到表面上的一种或更多种微生物的集合。这些粘附的细胞包埋在由细胞外聚合物质组成的细胞外基质中。35.术语“微生物”指可能以单细胞形式或细胞群体的形式存在的微生物。细菌、真菌、病毒、原生动物和藻类是主要的微生物类群。36.在本文中说明的发明公开了一种用于产生生物膜和纺织品的复合物的方法。通过对产生生物膜的微生物进行基因改造来促进复合物的产生，以增强对纺织材料的粘附。可以进一步改造微生物以获得期望的感知和响应功能。37.在一个实施例中，微生物被工程改造成过度表达分泌的纳米纤维，例如curli纤维和/或细菌纤维素，以增强微生物对纺织品的粘附。纳米纤维是具有在纳米范围内的直径的纤维。纳米纤维通常具有很大的表面积-体积比、高孔隙率和可观的机械强度。curli纤维是在生物膜形成期间由细菌组装成胞外聚合物纤维的淀粉样蛋白。curli纤维形成坚韧的纤维网，该纤维网将各个细胞结合在一起，并有助于结合至表面。curli基因表达的激活能够直接在许多材料上诱导微生物生物膜的形成。基因激活可以由小分子或光触发，这使得在诸如棉花、玻璃或聚苯乙烯等材料上形成图案成为可能。38.在分子水平上，curli纤维是主要由蛋白质csga组成的蛋白质聚合物，该蛋白质csga形成纤维的主要结构成分。这种蛋白质可以基因融合到各种肽序列上，而会不中断其表达、聚合和起作用的能力。这些融合肽可以为curli纤维赋予新的功能，包括成核无定形晶体、结合至特定表面、募集酶、发荧光或传导电荷的能力。因此，通过对curli纤维进行工程改造，能够将特定的化学或物理特性编程到活生物膜物质中。39.在各种实施例中，所述生物膜内的细胞可以作为生物传感器，从而检测纺织品周围的环境的变化，并通过产生一种或更多种可预测的响应(例如荧光、感官响应或颜色变化)来做出响应。生物膜还能够响应于某些信号(例如某些毒素或过多汗液的存在)而产生气味。此外，生物膜能够产生去除这些毒素的酶。生物膜的这样的一种或更多种响应可以调整、调节或改变纺织品的一种或更多种特性，例如纺织品的颜色、纺织品的气味、纺织品的渗透性或纺织品的孔隙率。40.图1示出了制造生物膜增强纺织品的方法的一个实施例的示意图。在培养生物膜和将生物膜整合到纺织品上期间，将改造的微生物(生物膜)12添加到纺织品14中。微生物在其表面上表达蛋白质，例如促进附着到纺织品14上的curli纤维16，由此产生生物膜/纺织品复合物或生物膜增强纺织品18。这样的蛋白质可以包括天然存在的鞭毛、整联蛋白或粘附蛋白，它们可以经过或未经过基因修饰以增强生物膜对如上所述的纺织品材料的粘附性。例如，大肠杆菌生物膜主要由curli淀粉样蛋白、纤维素和大肠杆菌细胞组成。41.在一些实施例中，整合在生物膜/纺织品复合物18中的生物膜微生物可响应于汗液、水的存在或湿度19的提高而产生香味20。例如，来自大肠杆菌的pompr启动子和传感蛋白可用于产生异源酶agpps2和柠檬烯合酶(ls)，这些酶共同促进柠檬烯的产生。42.在各种实施例中，所述生物膜微生物可响应于撕裂22而产生额外的蛋白质纤维21，由此导致生物膜/纺织品复合物18的自我修复。例如，来自枯草芽孢杆菌的ppst-siga启动子可用于驱动额外的csga纤维蛋白的产生，该csga纤维蛋白的产生促进生物膜/纺织品复合物18的自我修复。43.在各种实施例中，微生物的细胞整合在纺织品中和/或粘附到纺织品上，使得生物膜/纺织品复合物18耐洗涤，这使得生物膜/纺织品复合物18可用作服装的织物。44.在各种实施例中，由改造微生物产生的纳米纤维蛋白可以基因融合到增强纳米纤维和细胞对纺织品14的粘附性的肽中。在另一种实施方案中，所述纳米纤维蛋白可以融合到有助于附着至纤维素的纤维素结合结构域中。纤维素是各种纺织品(例如棉花)的成分。在另外的实施例中，所述纳米纤维蛋白可以融合到通过噬菌体展示选择的蛋白结构域中，以附着到合成的、天然的或任何感兴趣的人造材料上，包括但不限于聚酯、尼龙、莱卡、棉、韧皮纤维、丝绸、羊毛、莱赛尔、人造丝、皮革、聚氨酯、橡胶、菌丝体、或者这些合成的、天然的或人造材料的混合物或复合物。45.所述微生物可以包括但不限于大肠杆菌、表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母、铜绿假单胞菌、多形拟杆菌、或者本领域普通技术人员熟知的这些菌类的普通衍生物。46.将生物膜添加到纺织品14上的一种方法是在浓缩的生物膜溶液中孵育微生物，然后将浓缩的溶液铺展到纺织品14上。图2示出了许多在其中未整合生物膜的纺织品的显微图像24，这些显微图像用作对照图像。然后，将产生生物膜的细菌(微生物12)的浓缩培养物铺展在纺织品上，并孵育24小时。然后洗涤纺织品/生物膜复合物，以从纺织品上除去任何未整合的生物膜，并进行干燥。拍摄纺织品的显微图像26，以观察这种复合物的结构。将图像26与对照图像24比较，在光学显微镜下，生物膜12的不透明层清晰可见。因此，在孵育24小时后，可以将生物膜12整合到不同的纺织品上。47.与浓缩生物膜一起长期孵育能够在整个纺织材料14中产生很厚的curli纤维和细菌细胞层(生物膜12)。例如，在扫描电子显微镜(sem)下研究干燥的生物膜/纺织品复合物18。这种生物膜/纺织品复合物的显微图像如图3所示。能够看出，生物膜材料32紧密结合到纺织纤维34中。图3示出了不同纺织品/生物膜复合物在不同水平的聚焦深度处的显微图像，例如10微米、20微米、40微米、100微米和200微米。48.生物膜12在纺织品材料14上的直接沉积使得在整个纺织品材料中能够看到更厚且更密的curli纤维层。在一些实施例中，可以将纺织品材料14添加到微生物12的生长培养物中，或者将纺织品14浸渍或浸泡在包含微生物12的生长培养物的溶液中。在一个实施例中，可以将微生物12喷洒到纺织品14上，或者可以按预先设计的图案印刷或涂覆到纺织品14上。在一个实施例中，可以在将纺织品14添加至微生物12的生长培养物之前或者在向纺织品14上喷洒、打印或涂覆微生物12之前对纺织品14进行拉伸。拉伸可以改善微生物12对纺织品的孔隙的填充。在另一个实施例中，通过使生长培养物在连续流动生物反应器中的纺织品材料片上流动，能够将微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，可以通过添加可生物降解的胶或粘合剂而将微生物物理地结合至纺织品。在另一个实施例中，通过在纺织品纤维和/或纱线上生长微生物培养物，然后用涂覆有微生物的纺织品纤维和/或纱线制造纺织品14，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，通过将微生物纺成纺织品纤维/长丝，然后用结合有微生物的纺织品纤维和/或纱线制造纺织品，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在另一个实施例中，可以通过将微生物12结合到层压材料中或层压材料上，然后将层压材料层压到纺织品14上，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，可以通过施加机械压力、气动压力、真空过滤或离心力而将微生物12压入纺织品14中。49.在微生物12与纺织品14整合之后，可以对其进行化学处理，以增强微生物12与纺织品14之间的结合。在一个实施例中，然后可以对纺织品/微生物复合物进行干燥或冻干，这作为一个保存步骤。在另一个实施例中，可以用淀粉对复合物进行处理，或者用干燥的营养物质接种，从而为以后的生物膜生长提供营养支持。50.图4中示出的图像证明了生物膜增强纺织品的“自我修复”特性。在各种实施例中，使用高浓度的产生生物膜的细菌在纺织品上形成生物膜24小时，随后干燥生物膜/纺织品复合物。然后，利用机械剪切在生物膜/纺织品复合物中诱发物理裂纹(参见图40)。然后将一滴水施加到生物膜/纺织品复合物上(参见图42，其中示出了在0分钟时刚刚添加水后的生物膜)，以诱发该复合物的水合。图像44示出了在1分钟水合时间后物理裂纹尺寸减小，图像46和48分别示出了在8分钟和15分钟水合时间后生物膜/纺织品复合物中的物理裂纹的数量和尺寸进一步减小。51.还测试了获得的生物膜增强纺织品复合物18的特点，以评估在拉伸测试期间的材料延展性等。如本文中所定义的延展性指材料在断裂/破裂前拉伸的能力。例如，将一片生物膜增强纺织品复合物18的每一端夹紧，然后拉伸，由此增大施加至复合物18的应力。为了进行比较，还进行了没有生物膜的对照纺织品的拉伸试验。拉伸试验是沿着每种纺织品的经纱和纬纱方向进行的。图5示出了所进行的拉伸试验中的一些拉伸试验的结果。右侧的图像50a是被测纺织品的图像。图像52示出了在其上没有生物膜的对照纺织品，而图像54示出了整合有72.8克/平方米生物膜的纺织品，图像56示出了整合有72.8克/平方米生物膜的纺织品，图像58示出了整合有83.2克/平方米生物膜的纺织品。左侧的图表50b示出了拉伸试验的结果。能够看出，纺织品上的浓缩生物膜改善了纺织品的延展性。例如，曲线51示出了对照纺织品52的拉伸试验结果，该结果表明对照纺织品在最低百分比的应变力下断裂，而纺织品上的最高浓度的生物膜(曲线57)在最高应变力下断裂。52.在各种实施例中，可以通过化学诱导来诱导微生物12附着到纺织品14上。例如，可以通过光、温度变化、超声波处理、施加电流、或本领域普通技术人员已知的任何其他方法来诱导微生物粘附到纺织品上。53.对微生物12进行的基因修饰可以编码在微生物的质粒或基因组上。例如，修饰可以包括诸如抗性标记、化学依赖性(营养缺陷型)和复制起点等元素。在一个实施例中，诸如硝化细菌、蓝细菌、放线菌或藻类等功能性微生物可与附着微生物一起整合在纺织品/生物膜复合物18中，以增加功能。在一个实施例中，可以将诸如阳光阻挡剂、抗菌纳米颗粒、环糊精、医疗成分或皮肤护理剂等功能性有机或无机成分与附着微生物一起整合在纺织品/生物膜复合物18中，以增加功能。54.能够被所述生物膜增强纺织品促进的功能和/或特征可以包括但不限于：55.a)响应性散发香味：通过感知汗液，微生物以汗液为食并产生香味。56.b)响应性导水和导汽：通过感知微环境和周围环境，微生物改变生物膜结构/模式，以将汗液和蒸汽从微环境导引到纺织品之外；或者利用导雨结构增加透气性来防止水的渗透。57.c)响应性模量-应变变化：通过感知应变和振动频率，微生物改变生物膜的模量和拉伸，以使纺织品对进一步的扰动具有更强/更弱的抵抗力。58.d)适应性通风：在微环境中的湿度提高时，微生物会做出响应，由此导致生物膜改变形状，扩大纺织品的孔隙结构，以实现主动通风。59.e)自清洁纺织品：微生物产生双疏(疏水和疏油)生物膜，该生物膜排斥水基和油基污渍，并减少清洁和洗涤纺织品的需要。60.f)抗病毒：微生物能够强烈地结合或中和特定的病毒，从而防止其传播给穿戴者。61.g)抗菌性：微生物可以被改造成杀死致病病菌，例如致病细菌。62.h)皮肤微生物群：微生物产生补充穿戴者的皮肤微生物群的生物膜。例如，产生抑制皮肤和纺织品上的与体臭相关的细菌生长的环境，或者促进共生皮肤微生物的生长。63.i)空气净化：纺织品中的微生物能够杀死致病细菌和/或病毒，降解挥发性化学物质并收集可能通过洗涤被释放或在周围环境中遇到的漂浮微粒，例如微塑料。64.j)对汗水做出响应：微生物感知在人体汗液中发现的特定代谢物，并使用该输入来促进进一步的生物膜形成和/或改变生物膜特性。例如，可以改变由生物膜提供的隔热性。65.k)响应性释放：微生物和生物膜感知温度或湿度变化，并且，作为响应，缓慢释放一种或更多种化合物，例如皮肤营养成分、香味剂、镇静剂、薄荷醇或水。66.l)对空气和/或水中的摩擦和/或阻力做出响应：根据目的，微生物响应于摩擦和阻力改变生物膜表面。例如，基于检测到的摩擦力的增大平滑生物膜表面以减少摩擦力并降低在关键位置起水泡的风险，或者67.增大生物膜表面摩擦力以增加手套指尖的触觉信息。68.m)适应性隔热：微生物响应于对低于预定阈值的低温的重复检测(例如连续多天)而产生更多孔和更厚的生物膜，并响应于对高于预定阈值的较高温度的重复检测破坏生物膜，以产生更薄、绝缘性更低的生物膜。69.n)响应性发光或显色：微生物产生响应于所感测的输入(例如代谢物、阳光的存在或阳光的缺乏)而发光或改变颜色或产生染料的生物膜。70.o)基础材料：生物膜用作结合功能材料或共生的活微生物的基础材料，所述功能材料或共生的活微生物例如是纳米颗粒、环糊精、石墨烯、益生菌、藻类、地衣或真菌。71.多个研究组研究了生物膜的功能特点。例如，horvat等人的“viscoelasticresponseofe.colibiofilmstogeneticallyalteredexpressionofextracellularmatrixcomponents(大肠杆菌生物膜对细胞外基质成分的基因改变表达的粘弹性响应)”，softmatter15，5042-5051(2019)公开多种具有不同生物膜细胞外基质组成的改造大肠杆菌菌株。这些修饰揭示了生物膜的粘弹性行为的变化，表明可以对生物膜组成进行基因编程以实现特定的机械特性。72.生物膜的多功能性还被用来扩展3d打印的聚合物的特性。huang等人的“programmableandprintablebacillussubtilisbiofilmsasengineeredlivingmaterials(作为工程活体材料的可编程和可打印的枯草芽孢杆菌生物膜)”，nat.chem.biol.15,34-41(2019)教导了将枯草芽孢杆菌生物膜整合到水凝胶层中以产生各种三维形状和包含高响应性的活细胞的微囊化结构。73.在另一个实施例中，raab等人的“asymbiotic-likebiologically-drivenregeneratingfabric(一种共生样生物驱动的再生织物)”，scirep7,8528,doi:10.1038/s41598-017-09105-4(2017)证明了经过工程改造以产生蜘蛛丝蛋白的枯草芽孢杆菌能够粘附到纺织品上，并在因机械剪切而发生细胞裂解时促进蜘蛛丝纳米纤维的形成。74.此外，nguyen等人的“programmablebiofilm-enhancedmaterialsfromengineeredcurlinanofibers(源自工程curli纳米纤维的可编程生物膜增强材料)”，nat.commun.5,1–10(2014)；dorval等人的“biomimeticengineeringofconductiveproteinfilms(导电蛋白质膜的仿生工程)”，nanotechnology29(45),454002(2018)；barnhart等人的“curlibiogenesisandfunction(curli的生物成因和功能)”，annu.rev.microbiol.60,131–47(2006)；moser等人的“light-controlled,high-resolutionpatterningoflivingengineeredbacteriaontotextiles(活工程细菌在纺织品上的光控高分辨率图案化)”，ceramics,andplastic,adv.funct.mater.29,1901788(2019)和dorval等人的“scalableproductionofgeneticallyengineerednanofibrousmacroscopicmaterialsviafiltration(通过过滤实现的基因工程纳米纤维宏观材料的规模可缩放生产)”，acsbiomater.sci.eng.3,733–741(2017)展示了工程生物膜如何为各种无机材料赋予通常仅限于生命系统的特性。75.实施例76.这些实施例示出了本发明的各个方面，证明了制备生物膜增强纺织品的各种条件及其制备方法。所选的实施例示出了与替代纺织品相比可获得的优点，并且这些优点相应地表明了特定的实施例，并且不一定表示本发明的所有方面的特征。77.实施例1：纺织品上的低密度生物膜整合78.可能在纺织品上导致较低密度的生物膜的整合方法包括在生物膜溶液中孵育纺织品，并在纺织品上沉积生物膜糊剂。79.为了在浓缩的生物膜溶液中孵育纺织品，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大约0.4克/毫升的浓度。然后添加纺织品，并将生物膜溶液在室温下孵育24小时。将纺织品固定，并在扫描电子显微镜下研究。图3a以100微米、20微米和10微米的尺度示出了棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图3b以200微米、40微米和200微米的尺度示出了pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。从图3a和3b能够看出，纺织品的孵育导致细胞和curli纤维在整个基质中广泛分布。80.为了进行生物膜在纺织品上的糊剂沉积，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大致2克/毫升的浓度。在使生物膜形成一段时间后，用刮刀将糊剂铺展在预先润湿的纺织品上。图6a以200微米、500微米和200微米的尺度示出了棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图6b以400微米、200微米和400微米的尺度示出了pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。从图6a和6b能够看出，生物膜在纺织品上的糊剂沉积导致在纺织品表面上产生细胞和生物膜的厚涂层。81.在各种实施例中，对于不需要改变纺织品的机械特性或者只需要改变表面特性的应用，这些较低密度的整合方案可能是优选的。例如，对于与从纺织品中释放芳香剂分子相关的应用，可以使用较低密度的整合方案。如下文所述，对于每升沉积在纺织品上的培养物，使用较低密度的方案能够产生大约100至大约450毫克柠檬烯(limonene/l)。82.实施例2：纺织品上的高密度生物膜整合83.在纺织品上能导致更高密度的生物膜的整合方法包括在纺织品进行生物膜的真空过滤。例如，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大约0.50克/毫升的浓度。将纺织品固定在真空过滤器上，并且，在一些实施例中，还对纺织品进行拉伸。拉伸能够改善纺织品的孔隙填充。在真空状态下添加生物膜溶液，直到透过直径为3厘米的纺织品的过滤减慢至大约3-5毫升。将纺织品干燥一整夜。84.此方案在纺织品上产生致密的生物复合物，该生物复合物具有利用水自愈合的能力，如下文所述。较高密度的方案可在需要改变纺织品的机械特性的应用中用于整个纺织品基质的一致功能化，和/或在整合的纺织品上引入自我修复特性。85.实施例3：生物膜过滤和孵育的结合86.使用生物膜过滤和孵育相结合的方案可以导致生物膜在纺织品中更均匀的分布，并改善水中的自我修复特性。如实施例1所述，将纺织品在细菌培养物中预孵育大约30-60分钟，然后将其置于真空过滤器上。添加一次或多次具有大约2.5克/毫升的浓度的生物膜溶液。将真空关断大约30分钟，然后接通大约1分钟，或者持续接通，直到过滤变慢。然后将纺织品在室温下干燥一整夜。87.实施例4：对汗液做出响应的生物膜增强纺织品88.在一个非限制性实施例中，微生物被工程改造成对汗液做出响应。将对汗液敏感的启动子(例如来自大肠杆菌的pompr)基因融合到编码特定输出的一个基因或一系列基因上，所述基因可以包括但不限于包含柠檬烯合酶途径的基因agpps2和ls。本领域技术人员理解，可以使用产生香味的其他已知途径，而不会脱离本发明的范围。然后，如上文所述，将来自大肠杆菌的经过基因修饰的pompr结合到纺织品上。pompr启动子的基因修饰使这种微生物能够感知汗液，并通过产生香味做出响应。例如，孵育携带质粒pjbei6410的大肠杆菌细胞，直至光密度为1。用25-500μmiptg诱导蛋白质表达，并使生物膜生长大约24-120小时，在此期间，大肠杆菌细胞产生柠檬烯。在添加iptg后，在生物膜溶液的顶部添加一层正十二烷。柠檬烯被捕获在有机层中，并用fc-fid对其量化。89.实施例5：对环境或机械应力做出响应的生物膜增强纺织品90.在另一个非限制性实施例中，微生物被基因工程改造成对机械应力做出响应。在此实施例中，将对剪切敏感的启动子(例如但不限于来自枯草芽孢杆菌的ppst-siga)基因融合到编码特定输出的一个基因或一系列基因上。所述特定输出可包括但不限于csga或者对纳米纤维的形成进行编码的其他基因。增加纳米纤维的形成可以增加和加强生物膜的细胞外基质，从而使复合物变硬。91.如图7所示，可以在细菌生长的对数期将细菌细胞整合到纺织品上，然后在室温下干燥(a)。在再次水化后，细胞可以产生curli纤维(b)。可以添加刚果红以与curli纤维结合，以用于生物膜的目视检测(c)。92.在各种实施例中，结果表明，细胞在没有新鲜营养物的条件下在室温下储存后能够表达生物膜。将光密度为0.55的细胞培养物样品(1毫升)在室温下储存一整夜。添加新鲜的生长培养基，例如lb培养基或水(1毫升)，并在37℃下将生物膜孵育一整夜。使用刚果红测定法(图8中的“rt/lb”)测试curli纤维的表达。如图8所示，甚至在仅向细胞培养物中添加室温下的水(“室温/水”)或仅向新鲜细胞中添加水(“新鲜细胞/水”)的样品中也检测到了curli纤维。93.还对细胞进行了测试，以确定在冷冻/干燥循环后生物膜是否能够被表达。将1毫升光密度为0.55的细胞培养物样品在-20℃下保持12小时，然后进行12小时的高度真空冻干。向细胞培养物中添加新鲜的lb培养基或水(1毫升)，并在37℃下孵育一整夜。使用刚果红测定法测试生物膜形成的程度。如图9所示，无论是向培养的细胞中添加水(图9中的“lyoph_water/37℃”)还是添加生长培养基(图9中的“lyoph_lb/37℃”)，即使在冻干后，细胞也能够表达生物膜。作为对照，将这些结果与储存前的水中细胞样品中的未结合的染料的吸光度进行比较(图9中的“储存前的细胞水悬浮液”)，比较结果表明形成了生物膜。94.然后确定细胞在纺织品上的整合是否会干扰生物膜的形成。如上文中的实施例1-3所述，将细胞整合到纺织品上。将细胞重悬在水中(浓度为0.2克/毫升)，并且，对于1平方厘米纺织品，使用1毫升悬浮液进行与纺织品的整合。测试了两个不同的细胞类型，即，作为对照的pqn4细胞和如上文所述的csga转化细胞。pqn4是缺乏完整的curli操纵子的从大肠杆菌衍生的细胞株。添加纺织品，并在37℃下在2毫升lb培养基中孵育一整夜。取每种溶液的1毫升样品，进行刚果红结合测定。结果在图10中示出。正如预期的那样，单独的pqn4细胞不表达curli纤维，因此，刚果红染料在溶液中是游离的，导致在分析中有较高的吸光度。与此相反，csga转化的细胞仍然表达与刚果红染料结合的curli纤维，导致在分析中未结合的染料的吸光度降低。这些结果表明，细胞在纺织品上的整合不影响它们表达生物膜的能力。然后将纺织品干燥并测试，以确定整合在纺织品上的细胞在干燥后是否能够表达生物膜。在对纺织品干燥1天、3天或4天后，对于结合了pqn4细胞或csga转化细胞的纺织品，细胞在被放回到生长培养基中后仍能够表达生物膜。95.用剪刀剪切按照如上文所述的实施例1、2和3制备的纺织品。向切割区域添加大约100-200微升的水，并让纺织品修复(或干燥)大约30-60分钟。测试了两种不同的条件，即，将纺织品用lb生长培养基再次水合并在室温下孵育一整夜，或者将纺织品用水再次水合并在室温下孵育一整夜。扫描电子显微镜显示，对于这两种再次水合条件(图11a中的用lb生长培养基再次水合和图11b中的用水再次水合)，生物膜的表达能够部分地填充切割区域。图12示出了切割的纺织品(图12a)和恢复的纺织品(图12b)的照片，证明了生物膜通过产生curli纤维而发育，从而重新连接纺织品片。因此，由csga转化细胞产生的生物膜可用于纺织品自我修复。96.虽然在上文中示出并说明了本公开的特定元件、实施例和应用，但是应理解，本公开的范围不限于此，因为本领域技术人员可在不脱离本公开的范围的情况下做出各种修改，尤其是根据上文的教导进行。因此，例如在本文中公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可按任何适当的顺序执行，并且不必限于所公开的任何特定顺序。在各个实施例中，元件和部件可按不同方式配置、布置、组合和/或消除。上述的各个特征和过程可彼此独立地使用，也可按各种方式组合。所有可能的组合和子组合都在本公开的范围之内。在本公开中，对“一些实施例”、“一个实施例”等的引用指结合该实施例说明的特定特征、结构、步骤、过程或特性包含在至少一个实施例中。因此，在本公开中，在出现“在一些实施例中”、“在一个实施例中”等短语时，不一定都指代同一个实施例，而是可指代相同或不同实施例中的一个或多个。实际上，在本文中说明的新复合物、纺织品和方法可按多种其他形式来实施；此外，可以对本文中所述的实施例的形式进行各种省略、增加、替换、等效变化、重新布置和改变，而不会脱离本文中所述的公开内容。97.在上文中已在适当位置说明了本发明的实施例的各个方面和优点。应理解，任何特定实施例不一定都实现了所有这些方面或优点。因此，例如应认识到，各种实施例可按实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施，而不必实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。98.除非另有说明或在所使用的上下文中另行理解，否则本文所使用的“能够”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”等条件性表述一般旨在传达某些实施例包括但其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤的含义。因此，这种条件性表述通常无意暗示这些特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于确定在有或没有操作员输入或提示的情况下在任何特定实施例中是否包括或执行这些特征、元素和/或步骤的逻辑。对于任何特定实施例来说，某个特征或一组特征不一定是必需或必不可少的。“包括”、“包含”、“具有”等术语是同义词，以包含性的开放方式使用，并且不排除其他元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接一系列元素时，术语“或”表示该系列元素中的一个、一部分或全部元素。99.本文中所述的实施例的示例性计算、模拟、结果、图形、数值和参数仅用于示例性目的，并非意图限制所公开的实施例。其他实施例可与本文中所述的示例不同地配置和/或操作。当前第1页12当前第1页12
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：：2.传统上认为纺织品的性能是指纺织品的与其机械性能相关的特性，例如拉伸性、弯曲性、隔热性、抗水性、透气性、吸潮性、耐久性、手感、合身性、质地以及物理和化学稳定性。虽然这些特性很有价值，但是现代消费者的期望已经增长到包括改进的性能、多样化的能力和低环境足迹。例如，希望新的织物具有更先进的特性，例如，包含记录和报告生理信号并对生理信号做出响应的电子可穿戴装置，所述生理信号例如是心率、出汗量、溶解血氧量、过度紧张、不平衡的运动、步数、压力等。3.活微生物通常形成在机械和化学上很坚固的细胞和细胞外物质的复合物。这些被称为生物膜的复合物已被证明包含持续感知其环境和对环境做出响应的活细胞。生物膜是一种或更多种细胞和细胞外基质成分的复杂复合物，该复合物将细胞锚定在位。生物膜可以被基因修饰以表现出各种各样的期望属性。4.因此，仍然需要一种对其周围环境更积极地响应的纺织品。技术实现要素：5.在一个方面中，提供了一种生物膜增强纺织品。所述生物膜增强纺织品包括纺织品以及包含一种或更多种微生物和细胞外物质的生物膜。这些微生物被工程改造成在它们的表面上表达蛋白质，以附着到纺织品上。所述生物膜作为检测纺织品内或纺织品周围的环境的变化并通过产生响应来做出反应的生物传感器。生物膜的响应可以调整、调节或改变纺织品的一种或更多种特性。6.在另一个方面中，本公开提供了一种生物膜增强纺织品，其包括：纺织品；以及包含一种或更多种微生物和细胞外物质的生物膜，所述一种或更多种微生物被工程改造成在细胞表面上表达一种或更多种蛋白质以附着到纺织品上，并且表达一种或更多种对纺织品内或纺织品周围的环境的变化做出响应的基因。7.在各种实施例中，所述响应影响纺织品的特性。8.在各种实施例中，所述纺织品周围的环境的变化是过多的汗液，并且所述一种或更多种微生物被工程改造成表达一种或更多种产生香味的基因。例如，所述一种或更多种产生香味的基因是agpps2和ls。9.在各种实施例中，所述纺织品内的变化是机械应力，并且所述一种或更多种微生物被工程改造成表达一种或更多种产生纳米纤维的基因。例如，所述一种或更多种产生纳米纤维的基因是csga。10.在各种实施例中，所述一种或更多种蛋白质是细菌纳米纤维。例如，所述细菌纳米纤维是curli纤维、细菌纤维素、或者curli纤维和细菌纤维素。例如，所述细菌纳米纤维可以被工程改造成结合或中和病毒。11.在各种实施例中，所述一种或更多种微生物是大肠杆菌、表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母、铜绿假单胞菌、多形拟杆菌、它们的衍生物、或者前述微生物的任何组合。例如，所述一种或更多种微生物是大肠杆菌或其衍生物。12.在另一个方面中，本公开提供了一种制备如本文所限定的生物膜增强纺织品的方法，该方法包括改造一种或更多种微生物以在细胞表面上表达一种或更多种蛋白质，从而将细胞粘附到纺织品上，并且表达一种或更多种对纺织品内或纺织品周围的环境的变化做出响应的基因，并将纺织品与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合。13.在各种实施例中，所述一种或更多种微生物的生长培养物通过倾倒、用工具施用或喷洒与纺织品整合，或者直接在纺织品上生长。14.在各种实施例中，通过施加机械压力、气动压力、真空过滤或离心将所述一种或更多种微生物的生长培养物压入纺织品中。15.在各种实施例中，所述方法还包括确定纺织品上的生物膜的密度。16.在各种实施例中，所述方法还包括在与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合之前拉伸纺织品。17.在各种实施例中，所述方法还包括对与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合的纺织品进行化学处理，以加强所述一种或更多种微生物与所述纺织品之间的结合。18.在各种实施例中，所述方法还包括用干燥的营养物质或防腐剂对与所述一种或更多种微生物的生长培养物整合的纺织品进行干燥、冻干、上浆或播种。19.除了上述的方面和实施例之外，通过参考附图并研究以下详细说明，本发明的其他方面和实施例将变得明显。附图说明20.图1示出了根据本发明的一个实施例的制造生物膜增强纺织品的方法的一个实例的示意图。21.图2示出了作为对照图像的在其中未整合生物膜的纺织品的显微图像(上排图像)以及在其上散布有浓缩生物膜培养物并孵育24小时的纺织品的显微图像(下排图像)。22.图3示出了在扫描电子显微镜下研究的生物膜增强纺织品的实例的显微图像。图3a示出了通过在浓缩生物膜溶液中孵育而形成的棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图3b示出了通过在浓缩生物膜溶液中孵育而形成的pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。23.图4示出了生物膜增强纺织品的实例的显微图像，其中示出了生物膜在随着时间的推移水合时的“自我修复”特性。24.图5(右图)示出了没有生物膜的对照纺织品(“对照物”)的显微图像和具有不同浓度的生物膜的生物膜增强纺织品的三个图像。图5(左图)示出了对右侧图像中示出的纺织品进行的拉伸试验的结果。25.图6示出了在扫描电子显微镜下研究的生物膜增强纺织品的实例的显微图像。图6a示出了通过在纺织品上进行糊剂沉积而形成的棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图6b示出了通过在纺织品上进行糊剂沉积而形成的pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。26.图7示出了用于测试纺织品中的生物膜表达的一个实例的示意图。27.图8示出了在室温下储存并添加生长培养基或水之后从细胞样品得到的溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。28.图9示出了在冻干并添加生长培养基或水之后从细胞样品获得的溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。29.图10示出了在纺织品上孵育生物膜之后pqn4细胞和csga转化细胞的浓缩生物膜溶液的未结合的刚果红染料的吸光度。30.图11示出了在切割并使用lb生长培养基(图11a)或水(图11b)再次水合后的纺织品的扫描电子显微镜图像。31.图12示出了结合如本文所述的生物膜的切割纺织品的照片(图12a)、以及生物膜再次水合和生长之后愈合或修复纺织品的照片(图12b)。具体实施方式32.在本公开的背景下，各种术语是按照其所被理解的通常含义使用的。33.本公开涉及一种纺织品，该纺织品具有作为生物膜整合到其中的活微生物。通过将微生物整合到纺织品材料中，纺织品能够吸收微生物的特性，例如，诸如病原性细菌或病毒等毒素的检测和修复。这些特性又能够被赋予到基础纺织品-生物膜系统上。例如，微生物能够感知环境信号，并通过在纺织品中产生化学和物理变化来做出响应。此外，生物膜的生物学性质意味着它可以来源于容易再生的原材料，并且在处理后能够生物降解。34.术语“生物膜”指其中的细胞彼此粘附并附着到表面上的一种或更多种微生物的集合。这些粘附的细胞包埋在由细胞外聚合物质组成的细胞外基质中。35.术语“微生物”指可能以单细胞形式或细胞群体的形式存在的微生物。细菌、真菌、病毒、原生动物和藻类是主要的微生物类群。36.在本文中说明的发明公开了一种用于产生生物膜和纺织品的复合物的方法。通过对产生生物膜的微生物进行基因改造来促进复合物的产生，以增强对纺织材料的粘附。可以进一步改造微生物以获得期望的感知和响应功能。37.在一个实施例中，微生物被工程改造成过度表达分泌的纳米纤维，例如curli纤维和/或细菌纤维素，以增强微生物对纺织品的粘附。纳米纤维是具有在纳米范围内的直径的纤维。纳米纤维通常具有很大的表面积-体积比、高孔隙率和可观的机械强度。curli纤维是在生物膜形成期间由细菌组装成胞外聚合物纤维的淀粉样蛋白。curli纤维形成坚韧的纤维网，该纤维网将各个细胞结合在一起，并有助于结合至表面。curli基因表达的激活能够直接在许多材料上诱导微生物生物膜的形成。基因激活可以由小分子或光触发，这使得在诸如棉花、玻璃或聚苯乙烯等材料上形成图案成为可能。38.在分子水平上，curli纤维是主要由蛋白质csga组成的蛋白质聚合物，该蛋白质csga形成纤维的主要结构成分。这种蛋白质可以基因融合到各种肽序列上，而会不中断其表达、聚合和起作用的能力。这些融合肽可以为curli纤维赋予新的功能，包括成核无定形晶体、结合至特定表面、募集酶、发荧光或传导电荷的能力。因此，通过对curli纤维进行工程改造，能够将特定的化学或物理特性编程到活生物膜物质中。39.在各种实施例中，所述生物膜内的细胞可以作为生物传感器，从而检测纺织品周围的环境的变化，并通过产生一种或更多种可预测的响应(例如荧光、感官响应或颜色变化)来做出响应。生物膜还能够响应于某些信号(例如某些毒素或过多汗液的存在)而产生气味。此外，生物膜能够产生去除这些毒素的酶。生物膜的这样的一种或更多种响应可以调整、调节或改变纺织品的一种或更多种特性，例如纺织品的颜色、纺织品的气味、纺织品的渗透性或纺织品的孔隙率。40.图1示出了制造生物膜增强纺织品的方法的一个实施例的示意图。在培养生物膜和将生物膜整合到纺织品上期间，将改造的微生物(生物膜)12添加到纺织品14中。微生物在其表面上表达蛋白质，例如促进附着到纺织品14上的curli纤维16，由此产生生物膜/纺织品复合物或生物膜增强纺织品18。这样的蛋白质可以包括天然存在的鞭毛、整联蛋白或粘附蛋白，它们可以经过或未经过基因修饰以增强生物膜对如上所述的纺织品材料的粘附性。例如，大肠杆菌生物膜主要由curli淀粉样蛋白、纤维素和大肠杆菌细胞组成。41.在一些实施例中，整合在生物膜/纺织品复合物18中的生物膜微生物可响应于汗液、水的存在或湿度19的提高而产生香味20。例如，来自大肠杆菌的pompr启动子和传感蛋白可用于产生异源酶agpps2和柠檬烯合酶(ls)，这些酶共同促进柠檬烯的产生。42.在各种实施例中，所述生物膜微生物可响应于撕裂22而产生额外的蛋白质纤维21，由此导致生物膜/纺织品复合物18的自我修复。例如，来自枯草芽孢杆菌的ppst-siga启动子可用于驱动额外的csga纤维蛋白的产生，该csga纤维蛋白的产生促进生物膜/纺织品复合物18的自我修复。43.在各种实施例中，微生物的细胞整合在纺织品中和/或粘附到纺织品上，使得生物膜/纺织品复合物18耐洗涤，这使得生物膜/纺织品复合物18可用作服装的织物。44.在各种实施例中，由改造微生物产生的纳米纤维蛋白可以基因融合到增强纳米纤维和细胞对纺织品14的粘附性的肽中。在另一种实施方案中，所述纳米纤维蛋白可以融合到有助于附着至纤维素的纤维素结合结构域中。纤维素是各种纺织品(例如棉花)的成分。在另外的实施例中，所述纳米纤维蛋白可以融合到通过噬菌体展示选择的蛋白结构域中，以附着到合成的、天然的或任何感兴趣的人造材料上，包括但不限于聚酯、尼龙、莱卡、棉、韧皮纤维、丝绸、羊毛、莱赛尔、人造丝、皮革、聚氨酯、橡胶、菌丝体、或者这些合成的、天然的或人造材料的混合物或复合物。45.所述微生物可以包括但不限于大肠杆菌、表皮葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、酿酒酵母、巴斯德毕赤酵母、铜绿假单胞菌、多形拟杆菌、或者本领域普通技术人员熟知的这些菌类的普通衍生物。46.将生物膜添加到纺织品14上的一种方法是在浓缩的生物膜溶液中孵育微生物，然后将浓缩的溶液铺展到纺织品14上。图2示出了许多在其中未整合生物膜的纺织品的显微图像24，这些显微图像用作对照图像。然后，将产生生物膜的细菌(微生物12)的浓缩培养物铺展在纺织品上，并孵育24小时。然后洗涤纺织品/生物膜复合物，以从纺织品上除去任何未整合的生物膜，并进行干燥。拍摄纺织品的显微图像26，以观察这种复合物的结构。将图像26与对照图像24比较，在光学显微镜下，生物膜12的不透明层清晰可见。因此，在孵育24小时后，可以将生物膜12整合到不同的纺织品上。47.与浓缩生物膜一起长期孵育能够在整个纺织材料14中产生很厚的curli纤维和细菌细胞层(生物膜12)。例如，在扫描电子显微镜(sem)下研究干燥的生物膜/纺织品复合物18。这种生物膜/纺织品复合物的显微图像如图3所示。能够看出，生物膜材料32紧密结合到纺织纤维34中。图3示出了不同纺织品/生物膜复合物在不同水平的聚焦深度处的显微图像，例如10微米、20微米、40微米、100微米和200微米。48.生物膜12在纺织品材料14上的直接沉积使得在整个纺织品材料中能够看到更厚且更密的curli纤维层。在一些实施例中，可以将纺织品材料14添加到微生物12的生长培养物中，或者将纺织品14浸渍或浸泡在包含微生物12的生长培养物的溶液中。在一个实施例中，可以将微生物12喷洒到纺织品14上，或者可以按预先设计的图案印刷或涂覆到纺织品14上。在一个实施例中，可以在将纺织品14添加至微生物12的生长培养物之前或者在向纺织品14上喷洒、打印或涂覆微生物12之前对纺织品14进行拉伸。拉伸可以改善微生物12对纺织品的孔隙的填充。在另一个实施例中，通过使生长培养物在连续流动生物反应器中的纺织品材料片上流动，能够将微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，可以通过添加可生物降解的胶或粘合剂而将微生物物理地结合至纺织品。在另一个实施例中，通过在纺织品纤维和/或纱线上生长微生物培养物，然后用涂覆有微生物的纺织品纤维和/或纱线制造纺织品14，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，通过将微生物纺成纺织品纤维/长丝，然后用结合有微生物的纺织品纤维和/或纱线制造纺织品，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在另一个实施例中，可以通过将微生物12结合到层压材料中或层压材料上，然后将层压材料层压到纺织品14上，能够使微生物12物理地结合至纺织品14。在一个实施例中，可以通过施加机械压力、气动压力、真空过滤或离心力而将微生物12压入纺织品14中。49.在微生物12与纺织品14整合之后，可以对其进行化学处理，以增强微生物12与纺织品14之间的结合。在一个实施例中，然后可以对纺织品/微生物复合物进行干燥或冻干，这作为一个保存步骤。在另一个实施例中，可以用淀粉对复合物进行处理，或者用干燥的营养物质接种，从而为以后的生物膜生长提供营养支持。50.图4中示出的图像证明了生物膜增强纺织品的“自我修复”特性。在各种实施例中，使用高浓度的产生生物膜的细菌在纺织品上形成生物膜24小时，随后干燥生物膜/纺织品复合物。然后，利用机械剪切在生物膜/纺织品复合物中诱发物理裂纹(参见图40)。然后将一滴水施加到生物膜/纺织品复合物上(参见图42，其中示出了在0分钟时刚刚添加水后的生物膜)，以诱发该复合物的水合。图像44示出了在1分钟水合时间后物理裂纹尺寸减小，图像46和48分别示出了在8分钟和15分钟水合时间后生物膜/纺织品复合物中的物理裂纹的数量和尺寸进一步减小。51.还测试了获得的生物膜增强纺织品复合物18的特点，以评估在拉伸测试期间的材料延展性等。如本文中所定义的延展性指材料在断裂/破裂前拉伸的能力。例如，将一片生物膜增强纺织品复合物18的每一端夹紧，然后拉伸，由此增大施加至复合物18的应力。为了进行比较，还进行了没有生物膜的对照纺织品的拉伸试验。拉伸试验是沿着每种纺织品的经纱和纬纱方向进行的。图5示出了所进行的拉伸试验中的一些拉伸试验的结果。右侧的图像50a是被测纺织品的图像。图像52示出了在其上没有生物膜的对照纺织品，而图像54示出了整合有72.8克/平方米生物膜的纺织品，图像56示出了整合有72.8克/平方米生物膜的纺织品，图像58示出了整合有83.2克/平方米生物膜的纺织品。左侧的图表50b示出了拉伸试验的结果。能够看出，纺织品上的浓缩生物膜改善了纺织品的延展性。例如，曲线51示出了对照纺织品52的拉伸试验结果，该结果表明对照纺织品在最低百分比的应变力下断裂，而纺织品上的最高浓度的生物膜(曲线57)在最高应变力下断裂。52.在各种实施例中，可以通过化学诱导来诱导微生物12附着到纺织品14上。例如，可以通过光、温度变化、超声波处理、施加电流、或本领域普通技术人员已知的任何其他方法来诱导微生物粘附到纺织品上。53.对微生物12进行的基因修饰可以编码在微生物的质粒或基因组上。例如，修饰可以包括诸如抗性标记、化学依赖性(营养缺陷型)和复制起点等元素。在一个实施例中，诸如硝化细菌、蓝细菌、放线菌或藻类等功能性微生物可与附着微生物一起整合在纺织品/生物膜复合物18中，以增加功能。在一个实施例中，可以将诸如阳光阻挡剂、抗菌纳米颗粒、环糊精、医疗成分或皮肤护理剂等功能性有机或无机成分与附着微生物一起整合在纺织品/生物膜复合物18中，以增加功能。54.能够被所述生物膜增强纺织品促进的功能和/或特征可以包括但不限于：55.a)响应性散发香味：通过感知汗液，微生物以汗液为食并产生香味。56.b)响应性导水和导汽：通过感知微环境和周围环境，微生物改变生物膜结构/模式，以将汗液和蒸汽从微环境导引到纺织品之外；或者利用导雨结构增加透气性来防止水的渗透。57.c)响应性模量-应变变化：通过感知应变和振动频率，微生物改变生物膜的模量和拉伸，以使纺织品对进一步的扰动具有更强/更弱的抵抗力。58.d)适应性通风：在微环境中的湿度提高时，微生物会做出响应，由此导致生物膜改变形状，扩大纺织品的孔隙结构，以实现主动通风。59.e)自清洁纺织品：微生物产生双疏(疏水和疏油)生物膜，该生物膜排斥水基和油基污渍，并减少清洁和洗涤纺织品的需要。60.f)抗病毒：微生物能够强烈地结合或中和特定的病毒，从而防止其传播给穿戴者。61.g)抗菌性：微生物可以被改造成杀死致病病菌，例如致病细菌。62.h)皮肤微生物群：微生物产生补充穿戴者的皮肤微生物群的生物膜。例如，产生抑制皮肤和纺织品上的与体臭相关的细菌生长的环境，或者促进共生皮肤微生物的生长。63.i)空气净化：纺织品中的微生物能够杀死致病细菌和/或病毒，降解挥发性化学物质并收集可能通过洗涤被释放或在周围环境中遇到的漂浮微粒，例如微塑料。64.j)对汗水做出响应：微生物感知在人体汗液中发现的特定代谢物，并使用该输入来促进进一步的生物膜形成和/或改变生物膜特性。例如，可以改变由生物膜提供的隔热性。65.k)响应性释放：微生物和生物膜感知温度或湿度变化，并且，作为响应，缓慢释放一种或更多种化合物，例如皮肤营养成分、香味剂、镇静剂、薄荷醇或水。66.l)对空气和/或水中的摩擦和/或阻力做出响应：根据目的，微生物响应于摩擦和阻力改变生物膜表面。例如，基于检测到的摩擦力的增大平滑生物膜表面以减少摩擦力并降低在关键位置起水泡的风险，或者67.增大生物膜表面摩擦力以增加手套指尖的触觉信息。68.m)适应性隔热：微生物响应于对低于预定阈值的低温的重复检测(例如连续多天)而产生更多孔和更厚的生物膜，并响应于对高于预定阈值的较高温度的重复检测破坏生物膜，以产生更薄、绝缘性更低的生物膜。69.n)响应性发光或显色：微生物产生响应于所感测的输入(例如代谢物、阳光的存在或阳光的缺乏)而发光或改变颜色或产生染料的生物膜。70.o)基础材料：生物膜用作结合功能材料或共生的活微生物的基础材料，所述功能材料或共生的活微生物例如是纳米颗粒、环糊精、石墨烯、益生菌、藻类、地衣或真菌。71.多个研究组研究了生物膜的功能特点。例如，horvat等人的“viscoelasticresponseofe.colibiofilmstogeneticallyalteredexpressionofextracellularmatrixcomponents(大肠杆菌生物膜对细胞外基质成分的基因改变表达的粘弹性响应)”，softmatter15，5042-5051(2019)公开多种具有不同生物膜细胞外基质组成的改造大肠杆菌菌株。这些修饰揭示了生物膜的粘弹性行为的变化，表明可以对生物膜组成进行基因编程以实现特定的机械特性。72.生物膜的多功能性还被用来扩展3d打印的聚合物的特性。huang等人的“programmableandprintablebacillussubtilisbiofilmsasengineeredlivingmaterials(作为工程活体材料的可编程和可打印的枯草芽孢杆菌生物膜)”，nat.chem.biol.15,34-41(2019)教导了将枯草芽孢杆菌生物膜整合到水凝胶层中以产生各种三维形状和包含高响应性的活细胞的微囊化结构。73.在另一个实施例中，raab等人的“asymbiotic-likebiologically-drivenregeneratingfabric(一种共生样生物驱动的再生织物)”，scirep7,8528,doi:10.1038/s41598-017-09105-4(2017)证明了经过工程改造以产生蜘蛛丝蛋白的枯草芽孢杆菌能够粘附到纺织品上，并在因机械剪切而发生细胞裂解时促进蜘蛛丝纳米纤维的形成。74.此外，nguyen等人的“programmablebiofilm-enhancedmaterialsfromengineeredcurlinanofibers(源自工程curli纳米纤维的可编程生物膜增强材料)”，nat.commun.5,1–10(2014)；dorval等人的“biomimeticengineeringofconductiveproteinfilms(导电蛋白质膜的仿生工程)”，nanotechnology29(45),454002(2018)；barnhart等人的“curlibiogenesisandfunction(curli的生物成因和功能)”，annu.rev.microbiol.60,131–47(2006)；moser等人的“light-controlled,high-resolutionpatterningoflivingengineeredbacteriaontotextiles(活工程细菌在纺织品上的光控高分辨率图案化)”，ceramics,andplastic,adv.funct.mater.29,1901788(2019)和dorval等人的“scalableproductionofgeneticallyengineerednanofibrousmacroscopicmaterialsviafiltration(通过过滤实现的基因工程纳米纤维宏观材料的规模可缩放生产)”，acsbiomater.sci.eng.3,733–741(2017)展示了工程生物膜如何为各种无机材料赋予通常仅限于生命系统的特性。75.实施例76.这些实施例示出了本发明的各个方面，证明了制备生物膜增强纺织品的各种条件及其制备方法。所选的实施例示出了与替代纺织品相比可获得的优点，并且这些优点相应地表明了特定的实施例，并且不一定表示本发明的所有方面的特征。77.实施例1：纺织品上的低密度生物膜整合78.可能在纺织品上导致较低密度的生物膜的整合方法包括在生物膜溶液中孵育纺织品，并在纺织品上沉积生物膜糊剂。79.为了在浓缩的生物膜溶液中孵育纺织品，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大约0.4克/毫升的浓度。然后添加纺织品，并将生物膜溶液在室温下孵育24小时。将纺织品固定，并在扫描电子显微镜下研究。图3a以100微米、20微米和10微米的尺度示出了棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图3b以200微米、40微米和200微米的尺度示出了pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。从图3a和3b能够看出，纺织品的孵育导致细胞和curli纤维在整个基质中广泛分布。80.为了进行生物膜在纺织品上的糊剂沉积，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大致2克/毫升的浓度。在使生物膜形成一段时间后，用刮刀将糊剂铺展在预先润湿的纺织品上。图6a以200微米、500微米和200微米的尺度示出了棉/莱卡94/6纺织品上的生物膜整合。图6b以400微米、200微米和400微米的尺度示出了pet/莱卡77/23纺织品上的生物膜整合。从图6a和6b能够看出，生物膜在纺织品上的糊剂沉积导致在纺织品表面上产生细胞和生物膜的厚涂层。81.在各种实施例中，对于不需要改变纺织品的机械特性或者只需要改变表面特性的应用，这些较低密度的整合方案可能是优选的。例如，对于与从纺织品中释放芳香剂分子相关的应用，可以使用较低密度的整合方案。如下文所述，对于每升沉积在纺织品上的培养物，使用较低密度的方案能够产生大约100至大约450毫克柠檬烯(limonene/l)。82.实施例2：纺织品上的高密度生物膜整合83.在纺织品上能导致更高密度的生物膜的整合方法包括在纺织品进行生物膜的真空过滤。例如，使大肠杆菌的细菌培养物表达一整夜，直至大约2.7的光密度。对培养物进行离心处理，并加入生长培养基(例如lb培养基)，达到大约0.50克/毫升的浓度。将纺织品固定在真空过滤器上，并且，在一些实施例中，还对纺织品进行拉伸。拉伸能够改善纺织品的孔隙填充。在真空状态下添加生物膜溶液，直到透过直径为3厘米的纺织品的过滤减慢至大约3-5毫升。将纺织品干燥一整夜。84.此方案在纺织品上产生致密的生物复合物，该生物复合物具有利用水自愈合的能力，如下文所述。较高密度的方案可在需要改变纺织品的机械特性的应用中用于整个纺织品基质的一致功能化，和/或在整合的纺织品上引入自我修复特性。85.实施例3：生物膜过滤和孵育的结合86.使用生物膜过滤和孵育相结合的方案可以导致生物膜在纺织品中更均匀的分布，并改善水中的自我修复特性。如实施例1所述，将纺织品在细菌培养物中预孵育大约30-60分钟，然后将其置于真空过滤器上。添加一次或多次具有大约2.5克/毫升的浓度的生物膜溶液。将真空关断大约30分钟，然后接通大约1分钟，或者持续接通，直到过滤变慢。然后将纺织品在室温下干燥一整夜。87.实施例4：对汗液做出响应的生物膜增强纺织品88.在一个非限制性实施例中，微生物被工程改造成对汗液做出响应。将对汗液敏感的启动子(例如来自大肠杆菌的pompr)基因融合到编码特定输出的一个基因或一系列基因上，所述基因可以包括但不限于包含柠檬烯合酶途径的基因agpps2和ls。本领域技术人员理解，可以使用产生香味的其他已知途径，而不会脱离本发明的范围。然后，如上文所述，将来自大肠杆菌的经过基因修饰的pompr结合到纺织品上。pompr启动子的基因修饰使这种微生物能够感知汗液，并通过产生香味做出响应。例如，孵育携带质粒pjbei6410的大肠杆菌细胞，直至光密度为1。用25-500μmiptg诱导蛋白质表达，并使生物膜生长大约24-120小时，在此期间，大肠杆菌细胞产生柠檬烯。在添加iptg后，在生物膜溶液的顶部添加一层正十二烷。柠檬烯被捕获在有机层中，并用fc-fid对其量化。89.实施例5：对环境或机械应力做出响应的生物膜增强纺织品90.在另一个非限制性实施例中，微生物被基因工程改造成对机械应力做出响应。在此实施例中，将对剪切敏感的启动子(例如但不限于来自枯草芽孢杆菌的ppst-siga)基因融合到编码特定输出的一个基因或一系列基因上。所述特定输出可包括但不限于csga或者对纳米纤维的形成进行编码的其他基因。增加纳米纤维的形成可以增加和加强生物膜的细胞外基质，从而使复合物变硬。91.如图7所示，可以在细菌生长的对数期将细菌细胞整合到纺织品上，然后在室温下干燥(a)。在再次水化后，细胞可以产生curli纤维(b)。可以添加刚果红以与curli纤维结合，以用于生物膜的目视检测(c)。92.在各种实施例中，结果表明，细胞在没有新鲜营养物的条件下在室温下储存后能够表达生物膜。将光密度为0.55的细胞培养物样品(1毫升)在室温下储存一整夜。添加新鲜的生长培养基，例如lb培养基或水(1毫升)，并在37℃下将生物膜孵育一整夜。使用刚果红测定法(图8中的“rt/lb”)测试curli纤维的表达。如图8所示，甚至在仅向细胞培养物中添加室温下的水(“室温/水”)或仅向新鲜细胞中添加水(“新鲜细胞/水”)的样品中也检测到了curli纤维。93.还对细胞进行了测试，以确定在冷冻/干燥循环后生物膜是否能够被表达。将1毫升光密度为0.55的细胞培养物样品在-20℃下保持12小时，然后进行12小时的高度真空冻干。向细胞培养物中添加新鲜的lb培养基或水(1毫升)，并在37℃下孵育一整夜。使用刚果红测定法测试生物膜形成的程度。如图9所示，无论是向培养的细胞中添加水(图9中的“lyoph_water/37℃”)还是添加生长培养基(图9中的“lyoph_lb/37℃”)，即使在冻干后，细胞也能够表达生物膜。作为对照，将这些结果与储存前的水中细胞样品中的未结合的染料的吸光度进行比较(图9中的“储存前的细胞水悬浮液”)，比较结果表明形成了生物膜。94.然后确定细胞在纺织品上的整合是否会干扰生物膜的形成。如上文中的实施例1-3所述，将细胞整合到纺织品上。将细胞重悬在水中(浓度为0.2克/毫升)，并且，对于1平方厘米纺织品，使用1毫升悬浮液进行与纺织品的整合。测试了两个不同的细胞类型，即，作为对照的pqn4细胞和如上文所述的csga转化细胞。pqn4是缺乏完整的curli操纵子的从大肠杆菌衍生的细胞株。添加纺织品，并在37℃下在2毫升lb培养基中孵育一整夜。取每种溶液的1毫升样品，进行刚果红结合测定。结果在图10中示出。正如预期的那样，单独的pqn4细胞不表达curli纤维，因此，刚果红染料在溶液中是游离的，导致在分析中有较高的吸光度。与此相反，csga转化的细胞仍然表达与刚果红染料结合的curli纤维，导致在分析中未结合的染料的吸光度降低。这些结果表明，细胞在纺织品上的整合不影响它们表达生物膜的能力。然后将纺织品干燥并测试，以确定整合在纺织品上的细胞在干燥后是否能够表达生物膜。在对纺织品干燥1天、3天或4天后，对于结合了pqn4细胞或csga转化细胞的纺织品，细胞在被放回到生长培养基中后仍能够表达生物膜。95.用剪刀剪切按照如上文所述的实施例1、2和3制备的纺织品。向切割区域添加大约100-200微升的水，并让纺织品修复(或干燥)大约30-60分钟。测试了两种不同的条件，即，将纺织品用lb生长培养基再次水合并在室温下孵育一整夜，或者将纺织品用水再次水合并在室温下孵育一整夜。扫描电子显微镜显示，对于这两种再次水合条件(图11a中的用lb生长培养基再次水合和图11b中的用水再次水合)，生物膜的表达能够部分地填充切割区域。图12示出了切割的纺织品(图12a)和恢复的纺织品(图12b)的照片，证明了生物膜通过产生curli纤维而发育，从而重新连接纺织品片。因此，由csga转化细胞产生的生物膜可用于纺织品自我修复。96.虽然在上文中示出并说明了本公开的特定元件、实施例和应用，但是应理解，本公开的范围不限于此，因为本领域技术人员可在不脱离本公开的范围的情况下做出各种修改，尤其是根据上文的教导进行。因此，例如在本文中公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可按任何适当的顺序执行，并且不必限于所公开的任何特定顺序。在各个实施例中，元件和部件可按不同方式配置、布置、组合和/或消除。上述的各个特征和过程可彼此独立地使用，也可按各种方式组合。所有可能的组合和子组合都在本公开的范围之内。在本公开中，对“一些实施例”、“一个实施例”等的引用指结合该实施例说明的特定特征、结构、步骤、过程或特性包含在至少一个实施例中。因此，在本公开中，在出现“在一些实施例中”、“在一个实施例中”等短语时，不一定都指代同一个实施例，而是可指代相同或不同实施例中的一个或多个。实际上，在本文中说明的新复合物、纺织品和方法可按多种其他形式来实施；此外，可以对本文中所述的实施例的形式进行各种省略、增加、替换、等效变化、重新布置和改变，而不会脱离本文中所述的公开内容。97.在上文中已在适当位置说明了本发明的实施例的各个方面和优点。应理解，任何特定实施例不一定都实现了所有这些方面或优点。因此，例如应认识到，各种实施例可按实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施，而不必实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。98.除非另有说明或在所使用的上下文中另行理解，否则本文所使用的“能够”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”等条件性表述一般旨在传达某些实施例包括但其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤的含义。因此，这种条件性表述通常无意暗示这些特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于确定在有或没有操作员输入或提示的情况下在任何特定实施例中是否包括或执行这些特征、元素和/或步骤的逻辑。对于任何特定实施例来说，某个特征或一组特征不一定是必需或必不可少的。“包括”、“包含”、“具有”等术语是同义词，以包含性的开放方式使用，并且不排除其他元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接一系列元素时，术语“或”表示该系列元素中的一个、一部分或全部元素。99.本文中所述的实施例的示例性计算、模拟、结果、图形、数值和参数仅用于示例性目的，并非意图限制所公开的实施例。其他实施例可与本文中所述的示例不同地配置和/或操作。当前第1页12当前第1页12
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