南京工業(yè)大學(xué)：3D打印具有生物催化功能的活體材料

來(lái)源： EngineeringForLife

微生物可以在生物材料與組織工程中與脫細(xì)胞成分協(xié)同工作，從而應(yīng)用到生物制造,、生物修復(fù)或生物醫(yī)學(xué)工程中去,。而生物3D打印可將微生物與水凝膠材料進(jìn)行融合，能夠控制細(xì)胞和化學(xué)成分的空間分布,，且與傳統(tǒng)的液體培養(yǎng)相比,，還提高了整體的生物催化性能。但如何將活性組分有效整合到強(qiáng)化水凝膠中并平衡其可打印性和生物相容性，構(gòu)建出利于細(xì)胞生存的微環(huán)境仍是一大挑戰(zhàn),。擠出式生物3D打印要求生物打印材料具有剪切變稀和應(yīng)變恢復(fù)性能并可交聯(lián)固化,，而這些要求皆表明生物打印過(guò)程中的動(dòng)態(tài)控制也是挑戰(zhàn)之一。因此迫切需要能夠創(chuàng)建具有明確3D形狀的定制活體材料的策略,，特別是在構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)的同時(shí)改變其組成和功能特性,。

來(lái)自南京工業(yè)大學(xué)的余子夷、陳蘇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有生物催化功能的的活體材料,，由雙網(wǎng)絡(luò)高分子和微生物細(xì)胞共同構(gòu)成,，并可用作生物墨水，結(jié)合EFL擠出式生物3D打印機(jī)（EFL-BP-6602）進(jìn)行精確的生物3D打印制造,，可為微生物提供良好的生存環(huán)境和理想的力學(xué)性能,。通過(guò)將含微生物的水凝膠加載在擠出式生物3D打印設(shè)備中，可以直接打印具有高細(xì)胞活性的生物材料,，并維持代謝活性,，同時(shí)制備了一種細(xì)菌-藻類共培養(yǎng)系統(tǒng)，顯示了去除污染物進(jìn)行生物修復(fù)的可能性,。相關(guān)研究“3D Printed Biocatalytic Living Materials with Dual-Network Reinforced Bioinks”發(fā)表于《small》雜志上,。

在生物墨水的設(shè)計(jì)上，選用功能化后的多糖透明質(zhì)酸（HA）聚合物與葫蘆[8]脲 (CB[8]),，將兩者預(yù)先混合,，形成物理交聯(lián)的3D網(wǎng)絡(luò)超分子水凝膠，然后將超分子凝膠與微生物混合獲得可打印的生物墨水（圖1）,。

圖1 基于功能化的透明質(zhì)酸的雙交聯(lián)載體設(shè)計(jì)

為測(cè)試生物墨水的可打印性能,，研究人員評(píng)估了活性生物墨水的流變性能并對(duì)其進(jìn)行高振蕩應(yīng)變(500 %)和低振蕩應(yīng)變(1 %)的循環(huán)測(cè)試（圖2），結(jié)果表明該生物墨水具有良好的剪切變稀以及應(yīng)變恢復(fù)性能,。

圖2 活體材料的3D打印

為驗(yàn)證3D打印的雙網(wǎng)絡(luò)支架的應(yīng)用,，設(shè)計(jì)并利用了一個(gè)酵母培養(yǎng)基循環(huán)裝置，以在酵母發(fā)酵過(guò)程中最大限度地提高乙醇生產(chǎn)率（圖3）,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印晶格水凝膠的乙醇生產(chǎn)率明顯高于大塊水凝膠,，表明3D打印的活體材料有著更高的催化效率。

圖3 生物催化活體材料的發(fā)酵性能

為拓展該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠生物墨水的應(yīng)用,，設(shè)計(jì)了一個(gè)枯草桿菌-小球藻共培養(yǎng)系統(tǒng)（圖4），用以吸收二氧化碳和催化降解污染物,，證明了開發(fā)的活體材料在生物修復(fù)領(lǐng)域有著重要價(jià)值,。

圖4 多細(xì)胞生物活體材料用于二氧化碳固定和生物修復(fù)

綜上，該研究利用動(dòng)態(tài)化學(xué)以及雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方法開發(fā)了一種具有良好的生物相容性和力學(xué)性能的生物墨水,，并結(jié)合擠出式生物3D打印制造了在微尺度空間固定微生物和構(gòu)建多細(xì)胞共生的生物活體材料,，實(shí)現(xiàn)了生物催化的強(qiáng)化�,；诖搜兄频募�(xì)菌-微藻共培養(yǎng)系統(tǒng)在化學(xué)物質(zhì)的生物降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。這項(xiàng)研究為探索新的生物相容性良好的可打印生物墨水提供了一個(gè)新的突破,。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/smll.202104820