密歇根州立大學(xué)采用3D打印技術(shù)，研發(fā)制造生物膜新方法

南極熊導(dǎo)讀，生物膜對人類既有害又有益。它們可以覆蓋材料和物體的表面，包括醫(yī)療設(shè)備，并引起感染，并且它們對許多藥物和消毒劑有抵抗力。然而，生物膜能夠降解有毒化學(xué)物質(zhì)和環(huán)境污染物，使它可用于治療細菌、廢水處理等。

2022年7月12日，南極熊獲悉，密歇根州立大學(xué)（MSU）的研究人員，推出了可以推進生物膜科學(xué)的3D打印新技術(shù)。

△密歇根州立微生物學(xué)博士Kathryn Zimlich（左）和機械工程博士生Isaak Thornton，使用 3D打印設(shè)備來沉積微生物和制造生物膜

該研究團隊宣稱，當(dāng)細菌和其他微生物粘附在表面上，并形成粘稠的墊子（稱為生物膜）時，它們會形成復(fù)雜的群落，這些群落，通常對傳統(tǒng)的消毒劑具有抗藥性。現(xiàn)在，該大學(xué)生物膜工程中心的科學(xué)家們，正在開發(fā)一種復(fù)制微生物群落的新技術(shù)，以便研究創(chuàng)新的治療方法。

Thornton和Zimlich將于7月12日至14日，在博茲曼舉行的蒙大拿州生物膜年度會議上，展示向人們和企業(yè)展示它們的最新研究成果，該會議召集來自世界各地的研究人員，和行業(yè)合作伙伴討論最新的生物膜科學(xué)。

在過去的兩年里，Zimlich和Thornton設(shè)計并測試了一種3D打印設(shè)備，該設(shè)備可以在水凝膠中，精確地布置單個細菌網(wǎng)格（一種透明的類似果凍的物質(zhì)）。利用3D打印技術(shù)的進步，研究人員可以繪制出，液態(tài)水凝膠樹脂液滴中的微生物，然后使用激光固化材料，構(gòu)建基本的生物膜。

“我們可以在空間上準確地，將細胞排列和封裝在我們想要的位置，”Thornton說，他們正在該大學(xué)諾姆阿斯比約森工程學(xué)院，化學(xué)與生物工程系副教授Jim Wilking的實驗室進行這項研究。

△生物膜，它是一種微生物的三維群落，生物中除某些病毒外，都具有生物膜

到目前為止，Zimlich和Thornton只使用了單一種類的細菌，但通過使用3D打印機進行多次打印，每次都使用不同種類或菌株，他們可以開始創(chuàng)造自然界中發(fā)現(xiàn)的更復(fù)雜和分層的生物膜。通過在細菌中添加熒光染料，研究人員可以使用專門的顯微鏡，輕松觀察微生物，從而研究細胞之間發(fā)生的相互作用。

Zimlich說：“即使是最簡單的生物膜系統(tǒng)也很復(fù)雜。這就像一個森林，具有多樣性。我們需要新的工具來了解，這種多樣性是如何發(fā)展和持續(xù)的�！�

眾所周知，生物膜內(nèi)的動態(tài)環(huán)境有助于，使微生物對傳統(tǒng)治療產(chǎn)生抵抗力。MSU Regents教授和長期生物膜研究人員Phil Stewart表明，一種超級細菌會導(dǎo)致傷口感染，并且它能夠抵抗抗生素，因為生物膜下層的細胞，與氧氣和其他化合物隔絕，導(dǎo)致它們進入休眠狀態(tài)，從而改變了它們的生物學(xué)特性，使藥物變得無效。

“通過對現(xiàn)有的生物膜研究，已經(jīng)逐漸明白一點，有可能通過改變交互式生物膜環(huán)境，而不是嘗試使用刺激性化學(xué)產(chǎn)品，來治療這些病原菌，”Zimlich說，例如，治療方法可能涉及引入無害細菌，與有害微生物競爭并破壞保護性生物膜。

△每年7月，在博茲曼舉辦蒙大拿州生物膜科學(xué)與技術(shù)會議。2022年會議融合了生物膜領(lǐng)域、CBE和其他實驗室的最佳研究成果

開發(fā)這些治療方法，需要在受控的實驗室環(huán)境中進行大量測試，這就是3D打印新技術(shù)的用武之地。“我們認為有可能構(gòu)建出，這些病原體生物膜自然形成的類似物�！盳imlich說。

這可能對生物膜會議的與會者非常感興趣。據(jù)負責(zé)協(xié)調(diào)該中心與企事業(yè)對人Paul Sturman說，寶潔、3M和Ecolab以及NASA等公司，都渴望得到可以控制生物膜的制造方法。

自30多年前成立以來，生物膜工程中心，一直是生物膜研究的世界領(lǐng)先者，開創(chuàng)了一種跨學(xué)科方法，將工程、微生物學(xué)和其他領(lǐng)域的多個領(lǐng)域相結(jié)合，以解決現(xiàn)實世界的問題。他說，這就是吸引Thornton參與該項目的原因。

△用于設(shè)計生物膜的新型3D打印技術(shù)

據(jù)了解，密歇根州立大學(xué)，不是第一在該領(lǐng)域做研究的機構(gòu)，Rochester大學(xué)生物學(xué)家，于2021也發(fā)表了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究，開發(fā)了一種利用3D打印技術(shù)來設(shè)計和研究生物膜。他們宣稱，該研究可能有助于開發(fā)藥物，來對抗這些附著在表面的微生物的負面影響。