綜述：3D打印微生物材料的原理和應(yīng)用

引言：

3D生物打印目前被廣泛用于構(gòu)建具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的哺乳動(dòng)物的組織結(jié)構(gòu),。這給組織工程學(xué)帶來(lái)了革命性的變化，也將為再生醫(yī)學(xué)做出極大的貢獻(xiàn),。近日,，3D生物打印也被用于制造培養(yǎng)微生物的活組織，包括光合作用的單細(xì)胞微藻和細(xì)菌細(xì)胞,。

來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的研究人員綜述了以微生物為動(dòng)力的3D生物材料的原理和應(yīng)用,。合理預(yù)測(cè)，3D打印微生物材料在生物醫(yī)學(xué),、生物技術(shù)和設(shè)備制造以及生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面將具有巨大的潛力,。

微生物材料的重要意義

地球上的生命是由微生物的能量和新陳代謝推動(dòng)的。原核生物在能量代謝中起著核心作用,，可以為高級(jí)生物產(chǎn)生必需的生物分子和基質(zhì),。真核微生物，如單細(xì)胞藻類,，通過(guò)光合作用為全球生物生產(chǎn)提供燃料,。利用從化學(xué)工程、基因工程和合成生物學(xué)的各種方法利用微生物的能量一直是生物技術(shù)的核心目標(biāo),。目前,，微生物已被用來(lái)生產(chǎn)藥品、化學(xué)品和生物能源,，以及應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)領(lǐng)域,。

3D生物材料打印技術(shù)

構(gòu)建工程生物材料需要控制活細(xì)胞的空間分布，因此,，高空間和時(shí)間分辨率的制造技術(shù)對(duì)于可伸縮材料的生產(chǎn)是必不可少的,。此外，構(gòu)建過(guò)程需要在細(xì)胞封裝過(guò)程中有合適的物理化學(xué)微環(huán)境,，這使得傳統(tǒng)的加工方法不適合生物材料的制造。到目前為止,，最常用的生物制造技術(shù)是鑄造成型和增材制造,。

生物打印技術(shù)大致可分為兩大類：基于材料沉積的3D打印和光固化式3D打印，如圖所示,�,；�于材料沉積的3D打印,，例如基于噴墨和基于擠壓的3D打印，利用可以在3D中移動(dòng)的噴墨頭或噴嘴,，以逐滴或逐行方式精確地將生物材料沉積在打印襯底上,。

基于材料沉積的3D打印兼容多種材料，包括PEGDA,、GelMA,、海藻酸鹽、膠原,、殼聚糖和明膠,。它的制造分辨率從幾十微米到數(shù)百微米不等，且受到噴嘴或噴墨頭的尺寸限制,。此外,，擠壓過(guò)程中的剪切力會(huì)降低細(xì)胞存活率。在光固化3D打印中,，液態(tài)預(yù)聚體通過(guò)曝光進(jìn)行交聯(lián)和固化,。3D結(jié)構(gòu)可以像在立體光刻（SLA）中那樣通過(guò)點(diǎn)掃描來(lái)構(gòu)建，或者像在基于數(shù)字光處理(DLP)的3D打印中那樣通過(guò)光學(xué)圖案投影和逐層光聚合來(lái)構(gòu)建,。由于光學(xué)鏡頭可以精確操控光線,，光固化3D打印技術(shù)可以達(dá)到微米甚至亞微米級(jí)的制造分辨率。此外,，光固化生物打印具有更高的細(xì)胞存活率,，因?yàn)樵摲椒�沒(méi)有對(duì)細(xì)胞造成機(jī)械應(yīng)力的物理噴嘴或噴墨頭。

下表總結(jié)了近年來(lái)3D打印微生物材料的研究進(jìn)展：

應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 3D打印生物制造工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的微生物材料：

（A)用于向慢性創(chuàng)面輸送光合氧氣的微藻-水凝膠貼片,。(B)用于氧合和輸送人類重組生長(zhǎng)因子的光合縫,。共聚焦熒光圖像顯示萊茵衣藻(紅色)的分布，掃描電子顯微鏡圖像顯示手術(shù)縫線上藻類的分布(C)3D打印的含藻類支架(D)先用多酚基團(tuán)功能化磷化銦(InP)納米顆粒,，然后將其組裝到基因工程酵母(Saccharomyces Cerevisiae)的表面,，形成模塊化的無(wú)機(jī)-生物雜化酵母(Saccharomyces Cerevisiae)。(E)大腸桿菌-酵母隔室共培養(yǎng),，圖中顯示了RF(紅色熒光)酵母和GFP(綠色)細(xì)菌的空間分布,，以及高效生產(chǎn)甜菜黃素的代謝途徑�,？s寫：HSF：人脾成纖維細(xì)胞,；HUVEC：人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞；PU：聚氨酯,；TCA：三羧酸,。

2. 3D打印可供能的微生物材料

研究人員對(duì)利用微生物將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)注越來(lái)越大，因?yàn)樗�具有可持續(xù)性和生物友好性。微生物驅(qū)動(dòng)的生物光伏(BPV)設(shè)備原則上是完全由光合作用驅(qū)動(dòng)的微生物燃料電池驅(qū)動(dòng)的,。BPV設(shè)備利用光合作用微生物作為其生物成分來(lái)發(fā)電,。3D打印有助于快速制造具有受控空間分布的BPV器件。

(A)3D打印生物光伏裝置示意圖,。 (B)采用3D打印藍(lán)藻菌落進(jìn)行光合作用生物發(fā)電的仿生蘑菇示意圖,。生物蘑菇(BM)和非生物蘑菇(AM)。 (C)3D打印的含有藻類的仿生珊瑚,，用于生產(chǎn)生物質(zhì),。

3.3D打印可應(yīng)用于響應(yīng)裝置的微生物材料

在自然界中，微生物可以通過(guò)執(zhí)行功能來(lái)響應(yīng)其微環(huán)境中的時(shí)空變化,，包括細(xì)胞通信,、代謝物生產(chǎn)和增殖。因此,，由微生物提供動(dòng)力的生物材料現(xiàn)在已被用于設(shè)計(jì)響應(yīng)設(shè)備,，包括生物傳感器、柔性機(jī)器人,、柔性計(jì)算機(jī)和具有可編譯功能和響應(yīng)功能的微型發(fā)電機(jī),。

(A)一種具有生物相容性的水凝膠-彈性體合成材料，促進(jìn)了微生物的存活和細(xì)胞間對(duì)外界刺激的交流,。(B)將基因工程微生物與3D生物打印相結(jié)合,，以控制細(xì)胞和信號(hào)的空間分布。(C)“活體紋身”包裹了不同的細(xì)胞,，這些細(xì)胞可以對(duì)一系列化學(xué)物質(zhì)的熒光發(fā)射做出反應(yīng),。(D)具有不透明度和不均勻的化學(xué)信號(hào)濃度的可編譯混合生物材料的可穿戴標(biāo)尺。 (E)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的微型輸送器示意圖,，用于主動(dòng)運(yùn)輸和運(yùn)送貨物到細(xì)胞,。

4. 3D打印應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域的微生物材料

一些微生物已經(jīng)進(jìn)化到能夠有效地吸收、吸附或降解包括重金屬和油在內(nèi)的污染物,，因此可以用于生物友好廢水處理,。將生物材料與微生物自然降解污染物的能力相結(jié)合可以增強(qiáng)它們的修復(fù)能力。

珊瑚具有重要的生態(tài)系統(tǒng)功能,，對(duì)海岸保護(hù)至關(guān)重要,，可減弱高達(dá)90%的入射波浪能量。研究人員正利用3D打印微生物尋找恢復(fù)珊瑚礁和創(chuàng)造人工珊瑚礁的創(chuàng)新方法,。

（A）具有用于生物修復(fù)的功能化的3D打印細(xì)菌,。（B）微型3D打印珊瑚骨架珊瑚。圖片微天然珊瑚骨架和3D打印模擬,。通過(guò)基于數(shù)字光處理（DLP）的摻雜有纖維素納米晶體的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）的生物打印實(shí)現(xiàn)高分辨率打印,。（C）大尺寸3D打印珊瑚結(jié)構(gòu)。使用UV誘導(dǎo)的光聚合生物打印碳酸鈣以結(jié)合底物。（D）大尺寸打印機(jī)器制造的載藻水凝膠面板（1000×500 mm）,。

總結(jié)：

生物3D打印技術(shù)的快速進(jìn)步表明，微生物材料將在現(xiàn)實(shí)生活中,，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,。由于這一領(lǐng)域的研究是高度跨學(xué)科的，而且往往結(jié)合了例如聚合物化學(xué),、生物工程,、微生物學(xué)和海洋生物學(xué)等領(lǐng)域，所以它需要一個(gè)專門研究的基礎(chǔ)設(shè)施,，研究界未來(lái)應(yīng)該著眼于密閉這一差距,，這將迅速加快3D打印微生物驅(qū)動(dòng)的生物材料的開(kāi)發(fā)。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,，若需可以查看原文,。

改編原文：Daniel Wangpraseurt,Shangting You, Yazhi Sun, Shaochen Chen,Biomimetic 3D living materials poweredby microorganisms,Trends in Biotechnology,2022 .

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.003