工程化活體材料與 3D 生物打印融合：現狀、挑戰(zhàn)與展望

來源：EFL生物3D打印與生物制造

工程化活體材料（ELMs）是一類新興的生物雜交材料，具有基因可編程功能，在眾多領域展現出巨大的應用潛力。然而，要將其轉化為實際產品和工程解決方案，需要與制造技術有效整合，而目前在這一整合過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，例如生物墨水設計困難，難以兼顧3D打印性和細胞兼容性，以及對ELMs中活細胞與非活基質之間相互作用的理解不足等問題。

來自德克薩斯大學阿靈頓分校的Kyungsuk Yum教授團隊，綜述了3D生物打印的研究進展。他們探討了當前3D生物打印與ELMs交叉領域的發(fā)展狀況，涵蓋了多種3D生物打印方式在ELMs構建中的應用。團隊提出了在該領域未來發(fā)展的關鍵觀點，包括深入理解ELMs中活細胞與非活成分的相互作用以優(yōu)化生物墨水設計、將合成生物學融入生物打印流程、利用微生物生長作為打印后制造工藝以及整合形狀變形材料實現ELMs的4D打印等。相關工作以 “Integrating Engineered Living Materials with 3D Bioprinting” 為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

1. 3D生物打印工程化活體材料。圖1展示了用于制造工程化活體材料（ELMs）三維結構的四種3D打印方式，分別是擠出式3D打印、在支撐浴中嵌入式3D打印、數字光處理3D打印和體積3D打印，并對比了它們在打印過程、速度、分辨率、材料兼容性、優(yōu)缺點等方面的差異。同時列舉了不同打印技術搭配的生物墨水、打印后交聯(lián)方式及微生物細胞實現的功能。

圖1. 用于制造ELMs三維結構的3D打印方式：呈現四種打印方式的示意圖，直觀展示各自的工作原理，如擠出式3D打印通過擠出生物墨水細絲逐層構建，嵌入式3D打印將生物墨水打印到支撐浴中等。

2. 擠出式3D生物打印。詳細介紹擠出式3D打印過程，包括生物墨水從噴嘴擠出、沉積形成結構，以及打印后交聯(lián)穩(wěn)定結構。強調設計此類生物墨水面臨的挑戰(zhàn)，如平衡打印性與細胞兼容性的難題，引出具有剪切稀化和自愈合特性的凝膠相生物墨水這一解決方案，還介紹了通用生物墨水平臺等策略。

圖2. 擠出式3D打印：對比凝膠相和液相生物墨水，展示凝膠相生物墨水的剪切稀化（受應力時從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)便于擠出）和自愈合（擠出后恢復固態(tài)維持形狀）特性，以及使用通用易逝網絡生物墨水進行3D打印的流程。

3. 在支撐浴中嵌入式3D生物打印。闡述在支撐浴中嵌入式3D打印是制造ELMs的3D構建體的另一種選擇，它將生物墨水打印到屈服應力介質（支撐浴）中，降低了生物墨水的流變學要求，利于制造復雜結構，還能通過移除打印細絲創(chuàng)建具有通道的結構，以木醋桿菌制造細菌纖維素結構為例說明。

圖4. 在支撐浴中嵌入式3D打印通過木醋桿菌原位生物合成細菌纖維素來制造細菌纖維素結構：展示支撐介質（聚四氟乙烯微粒）的微觀圖像、打印過程示意圖、打印的三維模型和實際結構，以及打印后細菌纖維素的形成和結構特點。

4. 基于光的3D生物打印。介紹數字光處理（DLP）3D生物打印技術，它利用圖案化光選擇性交聯(lián)光敏液體生物墨水，實現高通量和高分辨率打印，但對生物墨水要求高。展示了DLP打印構建ELMs的案例，如打印含大腸桿菌的結構及細胞在其中的生長情況。

圖5. ELMs的數字光處理3D生物打�。撼尸F3D打印網格結構的圖像，以及表達綠色熒光蛋白（GFP）的大腸桿菌在不同水凝膠基質中隨時間的熒光強度變化數據，直觀反映打印結構和細胞生長狀況。

5. 體積3D生物打印。體積3D打印是新興的基于光的打印技術，能同時生成整個3D物體，具有快速、可擴展等優(yōu)點，但需大量生物墨水。體積生物打�。╒BP）在此基礎上發(fā)展而來，可與在支撐浴中嵌入式3D打印集成，制造多材料構建體。

圖6. 體積3D打�。赫故卷樞驊腋≡〈蛴。ㄇ度胧酱蛴。┖腕w積打印的流程，以及多材料構建體的示意圖和實際打印構建體的圖像，呈現其制造過程和結構特點。

6. 3D打印活體構建體的打印后生長作為一種制造過程。以真菌菌絲體水凝膠的3D打印為例，說明將微生物生長納入3D生物打印后，打印構建體可隨時間生長和演化，菌絲生長能填充間隙、強化結構，還賦予構建體自我愈合能力。

圖8. 3D打印活體構建體的打印后生長：展示3D打印活體菌絲結構的生長策略（如根據營養(yǎng)狀況選擇不同生長模式）、不同生長天數的結構變化、橫截面圖像，以及菌絲自我愈合的顯微鏡圖像。

7. 形狀變形材料與ELMs的3D生物打印的整合。介紹將形狀變形材料與3D生物打印結合實現4D打印，可創(chuàng)建具有自適應和動態(tài)形態(tài)的活體構建體。展示了多種4D打印方法及在ELMs中的應用，如利用微生物細胞增殖實現形狀變形。

圖9. 4D打�。赫故净�于擠出的仿生4D打印原理（通過控制纖維素纖維排列實現各向異性膨脹和變形）及生成的復雜花狀形態(tài)，以及數字光4D打印通過2D材料編程實現3D成型的過程。

圖10. 將形狀變形材料與ELMs的3D生物打印相結合：使用ELMs中的微生物細胞作為驅動形狀轉變的活性成分進行4D打�。撼尸F酵母細胞增殖誘導ELM體積膨脹和形狀變形的過程，以及多材料形狀變形ELM的打印和變形情況。

結論
本研究表明，工程化活體材料（ELMs）與3D生物打印的融合，能夠創(chuàng)造出具有定制幾何形狀和可編程功能的活體構建體，為3D打印帶來新的制造能力。二者的結合將ELMs的生物可編程性與3D打印結構的幾何驅動功能相結合，顯著拓展了技術應用范圍，推動“活體”增材制造范式的發(fā)展，使打印構建體能夠像生物有機體一樣，對外界環(huán)境做出生長或進化的反應。在生物醫(yī)學、環(huán)境和工業(yè)生物制造等領域，3D打印的ELMs已展現出增強的功能，顯示出巨大的應用潛力。然而，要實現其實際應用，仍需解決維持細胞活力和確保生物安全性等關鍵挑戰(zhàn)。未來，合成生物學、材料科學和3D生物打印領域的跨學科合作，對于克服這些挑戰(zhàn)、充分釋放3D打印ELMs的潛力至關重要 。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202500934