更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新东西包

文丨学术头条，做者丨杨奇，编审丨HS

3D 打印那一手艺概念从最早“横空出生避世”一般突然炽热起来，到现在已经不只在科研范畴遭到普遍存眷，在财产范畴也已初具规模。在汽车、航空航天、军工等造造业，以及医疗、文创、教育等诸多行业已有良多详细 3D 打印的应用，成型的质料还根本都是金属或非金属，并以粉末状、线状和液态为主。

跟着 3D 打印手艺与市场的日趋成熟，其与计算机图形学、机器人学、生命科学、质料科学等范畴的穿插愈发普遍，多学科的交融水平逐步深化，那也为 3D 打印供给了更为丰硕的可能性和宽广的开展前景。而 3D 生物打印恰是从 3D 打印逐层构建质料并最末构成产物的增材造造过程演化而来，其可以消费可切确控造的组织复杂度类似的 3D 组织构建物。

而该手艺的关键就在于打印的质料，而且也继承了 3D 打印一贯对质料的高要求。不再是以往的金属或者非金属，3D 生物打印中利用的质料包罗活细胞和生物质料，一般被称为“生物墨水”。

做为打印质料，生物墨水起首要有很好的生物活性，类似于体内细胞外基量一般，以便在打印成型后细胞能进一步发育并成立起细胞间的联络。其次就是要求具有很好的成形性，并且是在打印时要好的活动性，打印后又能很快地固化成型。

目前，操纵微生物工程消费面向各类差别应用的质料已获得必然功效，但以肆意的形式和外形来构建三维机构却始末是一项很大的挑战。

近日，由美国哈佛大学的约翰·保尔森工程与应用科学学院、威斯生物工程研究所、医学院医学部和工程部，以及美国东北大学化学与化学生物学系的学生们一同完成了一项关于生物墨水的研究。他们的研究工做将先辈的纳米生物手艺与活性质料手艺相连系，为 3D 生物打印手艺消费功用性“活体”开拓了新空间。那项研究也颁发在了天然杂志的子刊 Nature Communications 上。

充实操纵微生物的遗传可编程性活细胞具有合成分子成分的才能，而且可以在纳米标准上切确地停止组拆，因为具有在恰当情况前提下构建宏不雅的活体功用构造。

来自哈佛大学的 Anna 和 Avinash 带着研究团队动手开发一种，被他们叫做“微生物墨水（microbial ink）”的打印质料。

它完全由基因工程微生物细胞所造成，颠末法式化设想使卵白量单体自下而上的分层自组拆为纳米纤维，并进一步构成包罗了可挤出水凝胶的纳米纤维收集。通过将基因工程大肠杆菌（E.coli）细胞和纳米纤维嵌入微生物墨水中，研究人员向外界进一步展现了功用生物质料的 3D 打印手艺；该手艺能够有效地隔离有毒部门，释放生物造剂，并通过合理设想的遗传物量，经化学诱导来调理本身细胞的生长。

现实上，3D 生物打印在组织工程学布景下，打印哺乳动物细胞的手艺相对成熟一些，比来已经用在了打印生物手艺和生物医学范畴所需要的微生物细胞。但现在已经摸索出的喷墨印刷（inkjet printing）、接触印刷（contact printing）、丝网印刷（screen printing）和平版印刷（lithographic）等手艺，比拟于基于挤压法（extrusion-based）的生物印刷手艺，在兼容性、性价比上都略显不敷。因而，在那个概念下有良多的办法途径研究，也摸索出了许多种生物墨水。

但是迄今为行，还没有人充实操纵微生物的遗传可编程性来合理地控造生物墨水的机械特征。

研究人员认为出于对多种因素的考虑，那个设法关于可持续的造造理论应用、在资本贫乏情况（好比一些荒芜的陆地或外星宇宙）中造造原质料，以及通过仿生设想和基因工程的切确性加强质料性能等范畴都将起到鞭策感化。那就是 Anna 和 Avinash 要停止该项目研究的初志。

他们对最末目的的设想分为三个阶段，起首是设想出一种具有高打印保实度的可挤出生物墨水；然后再通过“自下而上”的办法完全由工程微生物来消费那种生物墨水；最初，则是创建出一个可编程的平台，在更大更宏不雅的层面实现 3D 打印活体构造的先辈功用，从而将新兴的活体质料范畴推向从未被开发的前沿科技蓝海中。

操纵基因工程在那项工做中，他们做出了完全由基因工程的大肠杆菌生物膜造备出的微生物墨水。而且他们在论文中详细介绍了那款微生物墨水的详细特征，展现了其构造和外形的完好性。

更为久远的影响是，他们通过将基因工程的大肠杆菌细胞嵌入到微生物墨水里，显示了 3D 打印治疗性生物质料、隔离性生物质料和可调理性生物质料等多种潜在生物墨水的可能。

图 | 微生物墨水的设想战略、消费和功用应用示企图（来源：Nature Communications）

在图中的 a 部门，研究人员将源自纤维卵白的 α（旋钮）和 γ（孔）卵白构造域，与卷曲纳米纤维的次要构造成分 CsgA 相连系，对大肠杆菌停止基因工程革新以产生微生物墨水。

排泄后，CsgA-α 和 CsgA-γ 单体通过球状孔连系彼此感化自组拆成交联的纳米纤维。b展现了旋钮和孔域来自于纤维卵白，它们在血凝块构成过程中的超分子聚合环节起到了关键感化。图中的 c 则显示，整个从工程卵白量纳米纤维来消费微生物墨水的计划，涉及尺度的细菌培育、有限的加工步调，而且没必要添加外源聚合物。最初微生物墨水被 3D 打印，来获得功用性生物质料。

那个设想的设法是基于研究团队的早期工做根底，在之前 Anna 和 Avinash 证了然大肠杆菌生物膜细胞外基量（ECM）的原生卵白卷曲纳米纤维可通过将功用性多肽/卵白量交融到卷曲 CsgA 的单体中来停止基因工程编纂，从而产生剪切稀释水凝胶。同时，为了缔造出具有抱负粘弹性的生物墨水，他们又引入了一种遗传工程的交联战略，那个灵感就来自于纤维卵白（上图 b 中显示的部门）。

那项研究所造备出的微生物墨水，其设想从头操纵了 alpha 和 gamma 模块之间的连系彼此感化，即“旋钮-孔（knob-hole）”的彼此感化，病引入纳米纤维之间的非共价交联，以求在连结剪切稀释性能的同时加强机械巩固性。此外，研究人员暗示，该尝试中还值得留意的是，由 CsgA 自组拆构成的纤维具有高度不变性，并能抵御卵白水解、洗涤剂诱导和热变性等多种长处。

合成生物学新东西可打印的生物墨水需要粘度足够低，而且既要便于挤压，又要足够高的强度以便在打印后连结其外形。

那项功效，关于 3D 生物打印手艺范畴开发具有可调机械强度、高细胞活力和高打印保实度的高级生物墨水，起到了很大的鞭策感化，扩展了研究思维。

在他们看来，将来操纵合成生物学家们研发出的、可以不竭增长的生物部件“东西包”，微生物墨水能够进一步为各类生物手艺和生物医学应用停止个性化的定造设想。出格是当需要与其他质料手艺相连系时，例如那些已经将活细胞纳入构造建筑质料的手艺，该研究所造备的微生物生物墨水会尤其重要。

此外，其也能够在类似太空等极端情况下的人类栖息地，撑持构造建筑物的建成；因为在那种情况下原质料的运输是极为困难的，所以从十分有限的资本中按需生成建筑质料是必需要考虑的问题。

总体来看，目前 3D 生物打印尚且处于初始研发阶段，生物墨水做为生物 3D 打印手艺环节上的关键质料，也是该范畴的研究重点。

关于市场应用来说，那些手艺谈及规模化、市场化还为时髦早。但该研究范畴的将来开展潜力极大，可涉及的应用也非常普遍，包罗个性化医疗器械、新型生物质料的研发、三维收架和三维细胞培育、再生医学、多细胞生物学构造体构建，以及文中研究人员所设想的建筑质料等等。

能够说，生物 3D 打印手艺正以极快的速度向前开展着，其已经让各类手术和再生医学等范畴大大受益。将来，让我们等待该范畴可以涌现更多的能够改善人类社会、变化相关财产的手艺。

参考文献：