《Nature Materials》重磅：為3D打印注入“生命力”！

來源： EngineeringForLife

近年來，3D打印的概念逐漸為人們所熟知，其主要是以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前已經(jīng)有了許多不同的商業(yè)化3D打印機，并在模具制造、工業(yè)設計等領域得到廣泛應用。然而實際上，3D打印更為重要的潛在應用就是用于人工器官和組織修復材料的精密制造、以及人工智能的構(gòu)建等領域，但目前的3D打印大多都是使用非生命材料打印制造非生命結(jié)構(gòu)，想要實現(xiàn)上述的宏遠目標，一個重要的過程就是對3D打印注入“生命力”，賦予3D打印材料生命！尤其是生物學中發(fā)現(xiàn)的復雜適應性系統(tǒng)的許多新特性，在工程生物材料中仍然沒有得到有效的結(jié)合和探索。

細菌、真菌等微生物在現(xiàn)實生活中無處不在，近年來，這些微生物的一些獨特生物過程逐漸被深入開發(fā)利用，甚至作為組分合成了一系列具有獨特功能的生物基合成材料，為這些合成材料的在更廣泛領域內(nèi)的應用增添了新的希望。近日，受真菌菌絲體的啟發(fā)，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工的André R. Studart教授等人創(chuàng)造性地設計了一種利用真菌菌絲的新興特性整合3D打印技術(shù)來制造具有“生命”的復雜材料的方法，該策略制備的活體材料可實現(xiàn)自我修復，再生和環(huán)境適應，同時充分發(fā)揮材料的功能服務于特定的工程目的。該材料的制作主要是將裝載真菌的水凝膠利用3D打印技術(shù)打印成晶格結(jié)構(gòu)，從而促進菌絲在水凝膠里的定位植入，并實現(xiàn)間隙之間的橋連，研究還基于該方法制造了一種具有“生命力”的仿生皮膚材料，該材料展現(xiàn)出堅固的機械性能，同時可以實現(xiàn)自我清潔、以及損傷后自動適應和再生。相關(guān)研究內(nèi)容以“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”為題，于2022年12月22日發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Materials》，并進行Research Briefing專欄報道。

1. 關(guān)鍵科學問題

傳統(tǒng)的合成材料都會隨著時間的推移而退化，在沒有人為干預的情況下無法進行自適應或愈合。此外，制造這些材料通常需要高溫和苛刻的條件，而相比之下，由生物有機體制成的生物材料，如木材和骨骼，都可以實現(xiàn)生長、自我再生并自主適應環(huán)境的特性，從而更全面地發(fā)揮其生物功能，此外，這些生物材料通常可以在溫和的溫度下由生物體的生物機械驅(qū)動的水生產(chǎn)。工程生物材料領域近年來也一直都在研究利用微生物生物學為材料帶來生命，并取得了相應的一些研究進展，但現(xiàn)在亟需解決的一個關(guān)鍵內(nèi)容是，如何探索在自然界中為特定任務進化的真菌生物機制與工程應用中功能和幾何約束的相互協(xié)調(diào)和輔助。

2. 創(chuàng)新型解決方案

通過3D打印裝載有菌絲的水凝膠（該真菌菌絲用來從土壤中提取養(yǎng)分的根狀菌絲網(wǎng)絡），研究者們創(chuàng)造了具有定制幾何形狀和自我再生特性的活體材料。3D打印可以將活體材料塑造成多樣的幾何結(jié)構(gòu)，并保留由菌絲體編碼結(jié)構(gòu)所需的生物機制，使得其具有自我再生和適應的活體生命能力。研究選取真菌作為目標微生物，主要是由于真菌已經(jīng)進化為通過土壤顆粒之間的縫隙生長，可以通過橋接因破壞而產(chǎn)生的開放空間來再生響應的結(jié)構(gòu)。為了利用真菌的這一潛力，研究打印了網(wǎng)格狀水凝膠結(jié)構(gòu)，從而為菌絲生長提供一個機械堅固的開放氣道結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)豐富的環(huán)境，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用粒狀水凝膠基材打印，該基材由接種有真菌的凝膠培養(yǎng)基組成，分布在基材中的菌絲從而可以在最終打印結(jié)構(gòu)中形成一個相互連接的真菌細胞網(wǎng)絡。

圖1 通過3D打印富含菌絲體的水凝膠制成的活體復合材料和物體

該研究結(jié)合3D打印得到的材料中的活菌絲展現(xiàn)出了兩種生長模式：結(jié)合周圍環(huán)境的探索（游擊模式）和開發(fā)（方陣模式）的平衡生長策略。這種生長會產(chǎn)生分形菌絲網(wǎng)絡，為3D網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)提供了較強的機械強度，且該過程在室溫下與于水中即可發(fā)生。此外，菌絲在受損部位的生長可以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的自行愈合，愈合尺寸高達2 mm（ 直徑），這些過程中真菌的生長和分裂僅由營養(yǎng)物質(zhì)支持，無需人為干預。因此，該方法能夠用于高效地制造具有復雜系統(tǒng)動態(tài)特性的活性材料。此外，該研究開發(fā)的這一活體打印材料與之前的研究不同，在這些打印的菌絲體結(jié)構(gòu)中，真菌可以在制造過程結(jié)束時仍然保持較好的生命力。除了自我修復，菌絲體網(wǎng)絡的生長也可以用于合并打印的水凝膠以形成復雜的結(jié)構(gòu)。研究最后還通過3D打印活體功能性皮膚，并將其應用于無約束機器人和可編程抓取器，從而展示了富含菌絲體的3D打印水凝膠極大的應用潛力。

圖2 10%麥芽濃度菌絲體活體材料的生長和機械硬度

3. 未來研究方向

通過將3D打印提供的靈活成型能力與微生物的生物機制相結(jié)合，該研究的創(chuàng)新策略有望被推廣到增材制造其他功能性生物材料。機器人皮膚和建筑元素的設計可以通過調(diào)節(jié)這些生物材料的適應性行為和溫和的加工條件進行高效優(yōu)化。且與傳統(tǒng)的機器人和建筑部件不同，功能性生物材料可以自主改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以修復損傷，并對環(huán)境變化產(chǎn)生響應性行為。通過利用真菌網(wǎng)絡探索和利用其在自然環(huán)境中的固有能力，3D打印活菌絲體將能夠被設計為可感知、驅(qū)動甚至響應外部刺激的多功能仿生活體材料。

圖3 菌絲體活性材料的存活、自愈及應用

基于這一工作，未來的研究將進一步開發(fā)可以長期供應營養(yǎng)物質(zhì)和清除成型真菌廢物的復雜生物機制，從而實現(xiàn)更加系統(tǒng)的材料功能控制，研究認為結(jié)合人工血管網(wǎng)絡可能可以實現(xiàn)這一目標，甚至可以從周圍環(huán)境中獲取營養(yǎng)。當然，了解該研究中菌絲體網(wǎng)絡的長期穩(wěn)定性以及活性物質(zhì)如何與其環(huán)境相互作用，對于為工程應用的活菌絲體材料的設計藍圖十分重要。此外，利用3D打印作為控制真菌和其他微生物的空間分布的工具，拓寬打印過程中功能性微生物的多樣性并探索共生相互作用，將有助于開發(fā)可以利用多級生物過程的復雜智能生物材料。



文章來源：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01429-5