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綜述:3D打印微生物材料的原理和應(yīng)用

國內(nèi)
2022
02/23
12:29
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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)的哺乳動物的組織結(jié)構(gòu),。這給組織工程學(xué)帶來了革命性的變化,,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。

來自美國加州大學(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力的3D生物材料的原理和應(yīng)用,。合理預(yù)測,,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的,。原核生物在能量代謝中起著核心作用,,可以為高級生物產(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)對于可伸縮材料的生產(chǎn)是必不可少的。此外,,構(gòu)建過程需要在細(xì)胞封裝過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,�,;诓牧铣练e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,擠壓過程中的剪切力會降低細(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)中那樣通過點(diǎn)掃描來構(gòu)建,或者像在基于數(shù)字光處理(DLP)的3D打印中那樣通過光學(xué)圖案投影和逐層光聚合來構(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]有對細(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

研究人員對利用微生物將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)注越來越大,,因?yàn)樗哂锌沙掷m(xù)性和生物友好性,。微生物驅(qū)動的生物光伏(BPV)設(shè)備原則上是完全由光合作用驅(qū)動的微生物燃料電池驅(qū)動的。BPV設(shè)備利用光合作用微生物作為其生物成分來發(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,,微生物可以通過執(zhí)行功能來響應(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)動的微型輸送器示意圖,,用于主動運(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)動的生物材料的開發(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 .


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