MIT研究出結合生物元素的3D打印物體

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

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

這項新進展是由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Wyss研究所和Dana-Farber癌癥研究所的其他6人領導,。 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：“我們稱它們?yōu)榛旌仙�命材料（hybrid living materials）或HLMs” ,。 在最初的概念驗證實驗中,，該團隊將各種化學物質(zhì)精確地結合到了3D打印工藝中。 這些化學物質(zhì)充當信號來激活生物工程微生物中的某些響應,，這些微生物被噴涂在打印物體上,。 一旦噴涂好之后，微生物就會根據(jù)化學信號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)，他們說這證明了活細胞已成功地并入3D打印材料的表面,，并在放置了化學品的位置響應了細胞的活化,。

他們的目的是要制造出一種結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測性和可擴展性,。

該團隊通過多個步驟來生產(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,，以及用于3D打印的樹脂和化學材料組合的定制配方,。

△多材料體素級3D打印機Stratasys J750

他們發(fā)現(xiàn)一種類型的樹脂，通常僅用于為打印結構的懸垂部分提供臨時支撐,，然后在打印后溶解,，可以通過與結構樹脂材料混合來產(chǎn)生有用的結果。包含此支撐材料的結構部分將成為吸收劑,，并能夠保留控制活生物體行為的化學信號,。

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)定耐用的晶格結構）被注入生物工程細菌，然后噴涂到物體上,。

Smith說：“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,，無論是顏色還是治療劑�,！边@些初始測試形狀中的某些形狀制成了銀元大小的圓盤,，其他形狀則制成了彩色面罩，其結構內(nèi)的活菌提供了顏色,。隨著細菌的生長,，顏色需要幾個小時才能形成,，一旦到位，顏色就會保持穩(wěn)定,。

Oxman說：“這種方法在實際應用中發(fā)揮了作用,，因為設計人員現(xiàn)在能夠通過計算算法來控制生命系統(tǒng)的增長。將設計計算,，增材制造和合成生物學相結合,，HLMs平臺指出了這些技術可能對看似完全不同的領域產(chǎn)生深遠影響�,！�

團隊使用的打印平臺允許在結構的不同部分之間連續(xù)精確地改變打印對象的材料屬性,，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。這樣的變化在設計生物醫(yī)學裝置時可能有用,，所述生物醫(yī)學裝置可以提供強度和支撐,，同時還柔軟且柔韌以在它們與身體接觸的地方提供舒適感。

該團隊包括生物學,，生物工程學和計算機科學領域的專家,，他們提出了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生可預測的跨打印對象的生物學行為模式,，而不受諸如化學物質(zhì)在材料中擴散等因素的影響,。通過對這些效果進行計算機建模，研究人員開發(fā)了軟件,，他們說這些軟件可以提供與傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)所用的計算機輔助設計（CAD）系統(tǒng)相當?shù)木�度�?br />

該多樹脂3D打印平臺可以使用三到七種不同比例,，性質(zhì)不同的樹脂。與合成生物工程相結合,，這使得設計具有生物表面的對象成為可能,，該對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特定刺激（例如光或溫度或化學信號）做出響應。

Oxman說：“將來,，面罩中包含的顏料可以用對人體有益的化學物質(zhì)代替,，例如維生素，抗體或抗菌藥物,�,！� “想象一下一個可穿戴的產(chǎn)品，旨在引導定制的抗生素形成,，以適應其用戶的基因構成,。或者，考慮可以檢測污染的智能包裝,，或可以實時響應并適應環(huán)境提示的對環(huán)境敏感的建筑外觀,。”

研究人員說,，在他們的測試中,，研究小組使用了轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌，因為它們生長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,。

團隊成員包括Dominik Kolb，Tzu-Chieh Tang,，Christopher Voigt和MIT的Felix Moser,。哈佛醫(yī)學院達納-法伯癌癥研究所的艾哈邁德·霍斯尼（Ahmed Hosny）；和哈佛大學懷斯學院的詹姆斯·韋弗（James Weaver）,。它得到了羅伯特·伍德·約翰遜基金會,，蓋蒂實驗室，DARPA工程生活材料協(xié)議以及國家安全科學與工程學院獎學金的支持,。


來源：MIT