MIT研究出結(jié)合生物元素的3D打印物體

2020年1月28日,，南極熊從外媒獲悉,，麻省理工學(xué)院（MIT）等單位的研究人員開(kāi)發(fā)出一種3D打印對(duì)象的新方法,，能夠以可預(yù)測(cè)的方式控制生物行為,。

研究人員說(shuō),，該技術(shù)可用于制造3D打印生物醫(yī)學(xué)工具,，例如定制的牙套，這些工具結(jié)合了活細(xì)胞可以制造治療性化合物,，例如止痛藥或局部療法,。

這項(xiàng)新進(jìn)展是由MIT 副教授Neri Oxman，研究生Rachel Soo Hoo Smith,，Christoph Bader和Sunanda Sharma以及MIT,、哈佛大學(xué)Wyss研究所和Dana-Farber癌癥研究所的其他6人領(lǐng)導(dǎo)。 最近在《Advanced Functional Materials》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了該系統(tǒng),。

Smith說(shuō)：“我們稱它們?yōu)榛旌仙�命材料（hybrid living materials）或HLMs” ,。 在最初的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)將各種化學(xué)物質(zhì)精確地結(jié)合到了3D打印工藝中,。 這些化學(xué)物質(zhì)充當(dāng)信號(hào)來(lái)激活生物工程微生物中的某些響應(yīng),，這些微生物被噴涂在打印物體上。 一旦噴涂好之后,，微生物就會(huì)根據(jù)化學(xué)信號(hào)顯示特定的顏色或熒光,。

在他們的研究中，研究小組描述了這些彩色圖案在各種打印物體中的出現(xiàn),，他們說(shuō)這證明了活細(xì)胞已成功地并入3D打印材料的表面,，并在放置了化學(xué)品的位置響應(yīng)了細(xì)胞的活化。

他們的目的是要制造出一種結(jié)合了生物元素的物體和裝置,，其制造方式與其他工業(yè)制造工藝一樣具有可預(yù)測(cè)性和可擴(kuò)展性,。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)多個(gè)步驟來(lái)生產(chǎn)他們的混合材料。首先,，他們使用市售多材料噴墨3D打印機(jī),，以及用于3D打印的樹(shù)脂和化學(xué)材料組合的定制配方,。

△多材料體素級(jí)3D打印機(jī)Stratasys J750

他們發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)型的樹(shù)脂，通常僅用于為打印結(jié)構(gòu)的懸垂部分提供臨時(shí)支撐,，然后在打印后溶解,，可以通過(guò)與結(jié)構(gòu)樹(shù)脂材料混合來(lái)產(chǎn)生有用的結(jié)果。包含此支撐材料的結(jié)構(gòu)部分將成為吸收劑,，并能夠保留控制活生物體行為的化學(xué)信號(hào),。

最后，添加生物層：水凝膠的表面涂層（一種主要由水組成的凝膠狀材料,，提供了穩(wěn)定耐用的晶格結(jié)構(gòu)）被注入生物工程細(xì)菌,，然后噴涂到物體上。

Smith說(shuō)：“我們可以在打印形狀內(nèi)定義混合生物材料和生物合成產(chǎn)品的非常具體的形狀和分布,，無(wú)論是顏色還是治療劑,。”這些初始測(cè)試形狀中的某些形狀制成了銀元大小的圓盤(pán),，其他形狀則制成了彩色面罩,，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的活菌提供了顏色。隨著細(xì)菌的生長(zhǎng),，顏色需要幾個(gè)小時(shí)才能形成,，一旦到位，顏色就會(huì)保持穩(wěn)定,。

Oxman說(shuō)：“這種方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了作用,，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員現(xiàn)在能夠通過(guò)計(jì)算算法來(lái)控制生命系統(tǒng)的增長(zhǎng)。將設(shè)計(jì)計(jì)算,，增材制造和合成生物學(xué)相結(jié)合,，HLMs平臺(tái)指出了這些技術(shù)可能對(duì)看似完全不同的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響�,！�

團(tuán)隊(duì)使用的打印平臺(tái)允許在結(jié)構(gòu)的不同部分之間連續(xù)精確地改變打印對(duì)象的材料屬性,，其中某些部分較硬，另一些則更柔韌,，有些則具有吸收性,，而另一些則具有拒液性。這樣的變化在設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)裝置時(shí)可能有用,，所述生物醫(yī)學(xué)裝置可以提供強(qiáng)度和支撐,，同時(shí)還柔軟且柔韌以在它們與身體接觸的地方提供舒適感。

該團(tuán)隊(duì)包括生物學(xué),，生物工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家,，他們提出了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的跨打印對(duì)象的生物學(xué)行為模式，而不受諸如化學(xué)物質(zhì)在材料中擴(kuò)散等因素的影響,。通過(guò)對(duì)這些效果進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模,，研究人員開(kāi)發(fā)了軟件，他們說(shuō)這些軟件可以提供與傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)所用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木�度�?br />

該多樹(shù)脂3D打印平臺(tái)可以使用三到七種不同比例,，性質(zhì)不同的樹(shù)脂,。與合成生物工程相結(jié)合，這使得設(shè)計(jì)具有生物表面的對(duì)象成為可能,，該對(duì)象可以被編程為以可重現(xiàn)但完全可自定義的方式以特定方式對(duì)特定刺激（例如光或溫度或化學(xué)信號(hào)）做出響應(yīng),。

Oxman說(shuō)：“將來(lái)，面罩中包含的顏料可以用對(duì)人體有益的化學(xué)物質(zhì)代替,，例如維生素，抗體或抗菌藥物,�,！� “想象一下一個(gè)可穿戴的產(chǎn)品，旨在引導(dǎo)定制的抗生素形成,，以適應(yīng)其用戶的基因構(gòu)成,。或者,，考慮可以檢測(cè)污染的智能包裝,，或可以實(shí)時(shí)響應(yīng)并適應(yīng)環(huán)境提示的對(duì)環(huán)境敏感的建筑外觀�,！�

研究人員說(shuō),，在他們的測(cè)試中，研究小組使用了轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌,，因?yàn)樗鼈兩�長(zhǎng)迅速并且得到了廣泛的使用和研究,，但原則上也可以使用其他生物。

團(tuán)隊(duì)成員包括Dominik Kolb,，Tzu-Chieh Tang,，Christopher Voigt和MIT的Felix Moser。哈佛醫(yī)學(xué)院達(dá)納-法伯癌癥研究所的艾哈邁德·霍斯尼（Ahmed Hosny）,；和哈佛大學(xué)懷斯學(xué)院的詹姆斯·韋弗（James Weaver）,。它得到了羅伯特·伍德·約翰遜基金會(huì)，蓋蒂實(shí)驗(yàn)室,，DARPA工程生活材料協(xié)議以及國(guó)家安全科學(xué)與工程學(xué)院獎(jiǎng)學(xué)金的支持,。


來(lái)源：MIT