綜述：3D打印微生物材料的原理和應用

引言：

3D生物打印目前被廣泛用于構建具有復雜空間結構的哺乳動物的組織結構。這給組織工程學帶來了革命性的變化，也將為再生醫(yī)學做出極大的貢獻。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胞微藻和細菌細胞。

來自美國加州大學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用。合理預測，3D打印微生物材料在生物醫(yī)學、生物技術和設備制造以及生態(tài)系統(tǒng)恢復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，可以為高級生物產生必需的生物分子和基質。真核微生物，如單細胞藻類，通過光合作用為全球生物生產提供燃料。利用從化學工程、基因工程和合成生物學的各種方法利用微生物的能量一直是生物技術的核心目標。目前，微生物已被用來生產藥品、化學品和生物能源，以及應用于生態(tài)系統(tǒng)恢復領域。

3D生物材料打印技術

構建工程生物材料需要控制活細胞的空間分布，因此，高空間和時間分辨率的制造技術對于可伸縮材料的生產是必不可少的。此外，構建過程需要在細胞封裝過程中有合適的物理化學微環(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是鑄造成型和增材制造。

生物打印技術大致可分為兩大類：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胞存活率。在光固化3D打印中，液態(tài)預聚體通過曝光進行交聯(lián)和固化。3D結構可以像在立體光刻（SLA）中那樣通過點掃描來構建，或者像在基于數字光處理(DLP)的3D打印中那樣通過光學圖案投影和逐層光聚合來構建。由于光學鏡頭可以精確操控光線，光固化3D打印技術可以達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胞存活率，因為該方法沒有對細胞造成機械應力的物理噴嘴或噴墨頭。

下表總結了近年來3D打印微生物材料的研究進展：

應用領域：

1. 3D打印生物制造工程和生物醫(yī)學領域中的微生物材料：

（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-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)細菌的空間分布，以及高效生產甜菜黃素的代謝途徑�？s寫：HSF：人脾成纖維細胞；HUVEC：人臍靜脈內皮細胞；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化為電能的關注越來越大，因為它具有可持續(xù)性和生物友好性。微生物驅動的生物光伏(BPV)設備原則上是完全由光合作用驅動的微生物燃料電池驅動的。BPV設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打印藍藻菌落進行光合作用生物發(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，用于生產生物質。

3.3D打印可應用于響應裝置的微生物材料

在自然界中，微生物可以通過執(zhí)行功能來響應其微環(huán)境中的時空變化，包括細胞通信、代謝物生產和增殖。因此，由微生物提供動力的生物材料現在已被用于設計響應設備，包括生物傳感器、柔性機器人、柔性計算機和具有可編譯功能和響應功能的微型發(fā)電機。

(A)一種具有生物相容性的水凝膠-彈性體合成材料，促進了微生物的存活和細胞間對外界刺激的交流。(B)將基因工程微生物與3D生物打印相結合，以控制細胞和信號的空間分布。(C)“活體紋身”包裹了不同的細胞，這些細胞可以對一系列化學物質的熒光發(fā)射做出反應。(D)具有不透明度和不均勻的化學信號濃度的可編譯混合生物材料的可穿戴標尺。 (E)細菌驅動的微型輸送器示意圖，用于主動運輸和運送貨物到細胞。

4. 3D打印應用于環(huán)境領域的微生物材料

一些微生物已經進化到能夠有效地吸收、吸附或降解包括重金屬和油在內的污染物，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合可以增強它們的修復能力。

珊瑚具有重要的生態(tài)系統(tǒng)功能，對海岸保護至關重要，可減弱高達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）具有用于生物修復的功能化的3D打印細菌。（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）的生物打印實現高分辨率打印。（C）大尺寸3D打印珊瑚結構。使用UV誘導的光聚合生物打印碳酸鈣以結合底物。（D）大尺寸打印機器制造的載藻水凝膠面板（1000×500 mm）。

總結：

生物3D打印技術的快速進步表明，微生物材料將在現實生活中，特別是在生物醫(yī)學領域中得到廣泛應用。由于這一領域的研究是高度跨學科的，而且往往結合了例如聚合物化學、生物工程、微生物學和海洋生物學等領域，所以它需要一個專門研究的基礎設施，研究界未來應該著眼于密閉這一差距，這將迅速加快3D打印微生物驅動的生物材料的開發(fā)。

注：本文內容呈現略有調整，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