更好用的3D打印“活體”墨水來了，合成生物的新工具包！

3D 打印這一技術(shù)概念從最早“橫空出世”一般突然火熱起來，到如今已經(jīng)不僅在科研領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域也已初具規(guī)模。在汽車、航空航天、軍工等制造業(yè)，以及醫(yī)療、文創(chuàng)、教育等諸多行業(yè)已有很多具體 3D 打印的應(yīng)用，成型的材料還基本都是金屬或非金屬，并以粉末狀、線狀和液態(tài)為主。

隨著 3D 打印技術(shù)與市場(chǎng)的日趨成熟，其與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的交叉愈發(fā)廣泛，多學(xué)科的融合程度逐漸深化，這也為 3D 打印提供了更為豐富的可能性和廣闊的發(fā)展前景。而 3D 生物打印正是從 3D 打印逐層構(gòu)建材料并最終形成產(chǎn)品的增材制造過程演化而來，其能夠生產(chǎn)可精確控制的組織復(fù)雜度類似的 3D 組織構(gòu)建物。

而該技術(shù)的關(guān)鍵就在于打印的材料，并且也繼承了 3D 打印一貫對(duì)材料的高要求。不再是以往的金屬或者非金屬，3D 生物打印中使用的材料包含活細(xì)胞和生物材料，一般被稱為“生物墨水”。

做為打印材料，生物墨水首先要有很好的生物活性，類似于體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)一般，以便在打印成型后細(xì)胞能進(jìn)一步發(fā)育并建立起細(xì)胞間的聯(lián)系。其次就是要求具有很好的成形性，而且是在打印時(shí)要好的流動(dòng)性，打印后又能很快地固化成型。

目前，利用微生物工程生產(chǎn)面向各種不同應(yīng)用的材料已取得一定成果，但以任意的模式和形狀來構(gòu)建三維機(jī)構(gòu)卻始終是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。

近日，由美國哈佛大學(xué)的約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、威斯生物工程研究所、醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)部和工程部，以及美國東北大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的學(xué)生們一同完成了一項(xiàng)關(guān)于生物墨水的研究。他們的研究工作將先進(jìn)的納米生物技術(shù)與活性材料技術(shù)相結(jié)合，為 3D 生物打印技術(shù)生產(chǎn)功能性“活體”開辟了新空間。這項(xiàng)研究也發(fā)表在了自然雜志的子刊 Nature Communications 上。

充分利用微生物的遺傳可編程性

活細(xì)胞具有合成分子成分的能力，并且能夠在納米尺度上精確地進(jìn)行組裝，因?yàn)榫哂性谶m當(dāng)環(huán)境條件下構(gòu)建宏觀的活體功能結(jié)構(gòu)。

來自哈佛大學(xué)的 Anna 和 Avinash 帶著研究團(tuán)隊(duì)著手開發(fā)一種，被他們叫做“微生物墨水（microbial ink）”的打印材料。

它完全由基因工程微生物細(xì)胞所制成，經(jīng)過程序化設(shè)計(jì)使蛋白質(zhì)單體自下而上的分層自組裝為納米纖維，并進(jìn)一步構(gòu)成包含了可擠出水凝膠的納米纖維網(wǎng)絡(luò)。通過將基因工程大腸桿菌（E.coli）細(xì)胞和納米纖維嵌入微生物墨水中，研究人員向外界進(jìn)一步展示了功能生物材料的 3D 打印技術(shù)；該技術(shù)可以有效地隔離有毒部分，釋放生物制劑，并通過合理設(shè)計(jì)的遺傳物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)誘導(dǎo)來調(diào)節(jié)自身細(xì)胞的生長。

實(shí)際上，3D 生物打印在組織工程學(xué)背景下，打印哺乳動(dòng)物細(xì)胞的技術(shù)相對(duì)成熟一些，最近已經(jīng)用在了打印生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所需要的微生物細(xì)胞。但如今已經(jīng)探索出的噴墨印刷（inkjet printing）、接觸印刷（contact printing）、絲網(wǎng)印刷（screen printing）和平版印刷（lithographic）等技術(shù)，相比于基于擠壓法（extrusion-based）的生物印刷技術(shù)，在兼容性、性價(jià)比上都略顯不足。因此，在這個(gè)概念下有很多的方法路徑研究，也探索出了許多種生物墨水。

但是迄今為止，還沒有人充分利用微生物的遺傳可編程性來合理地控制生物墨水的機(jī)械特性。

研究人員認(rèn)為出于對(duì)多種因素的考慮，這個(gè)想法對(duì)于可持續(xù)的制造實(shí)踐應(yīng)用、在資源貧乏環(huán)境（比如一些荒蕪的陸地或外星宇宙）中制造原材料，以及通過仿生設(shè)計(jì)和基因工程的精確性增強(qiáng)材料性能等領(lǐng)域都將起到推動(dòng)作用。這就是 Anna 和 Avinash 要進(jìn)行該項(xiàng)目研究的初衷。

他們對(duì)最終目標(biāo)的設(shè)想分為三個(gè)階段，首先是設(shè)計(jì)出一種具有高打印保真度的可擠出生物墨水；然后再通過“自下而上”的方法完全由工程微生物來生產(chǎn)這種生物墨水；最后，則是創(chuàng)建出一個(gè)可編程的平臺(tái)，在更大更宏觀的層面實(shí)現(xiàn) 3D 打印活體結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能，從而將新興的活體材料領(lǐng)域推向從未被開發(fā)的前沿科技藍(lán)海中。

利用基因工程

在這項(xiàng)工作中，他們做出了完全由基因工程的大腸桿菌生物膜制備出的微生物墨水。并且他們?cè)谡撐闹性敿?xì)介紹了這款微生物墨水的具體特征，展示了其結(jié)構(gòu)和形狀的完整性。

更為長遠(yuǎn)的影響是，他們通過將基因工程的大腸桿菌細(xì)胞嵌入到微生物墨水里，顯示了 3D 打印治療性生物材料、隔離性生物材料和可調(diào)節(jié)性生物材料等多種潛在生物墨水的可能。

圖 | 微生物墨水的設(shè)計(jì)策略、生產(chǎn)和功能應(yīng)用示意圖（來源：Nature Communications）

在圖中的 a 部分，研究人員將源自纖維蛋白的 α（旋鈕）和 γ（孔）蛋白結(jié)構(gòu)域，與卷曲納米纖維的主要結(jié)構(gòu)成分 CsgA 相結(jié)合，對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因工程改造以產(chǎn)生微生物墨水。

分泌后，CsgA-α 和 CsgA-γ 單體通過球狀孔結(jié)合相互作用自組裝成交聯(lián)的納米纖維。b展示了旋鈕和孔域來自于纖維蛋白，它們?cè)谘龎K形成過程中的超分子聚合環(huán)節(jié)起到了關(guān)鍵作用。圖中的 c 則顯示，整個(gè)從工程蛋白質(zhì)納米纖維來生產(chǎn)微生物墨水的方案，涉及標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)菌培養(yǎng)、有限的加工步驟，并且不必添加外源聚合物。最后微生物墨水被 3D 打印，來獲得功能性生物材料。

這個(gè)設(shè)計(jì)的想法是基于研究團(tuán)隊(duì)的早期工作基礎(chǔ)，在之前 Anna 和 Avinash 證明了大腸桿菌生物膜細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的原生蛋白卷曲納米纖維可通過將功能性多肽/蛋白質(zhì)融合到卷曲 CsgA 的單體中來進(jìn)行基因工程編輯，從而產(chǎn)生剪切稀釋水凝膠。同時(shí)，為了創(chuàng)造出具有理想粘彈性的生物墨水，他們又引入了一種遺傳工程的交聯(lián)策略，這個(gè)靈感就來自于纖維蛋白（上圖 b 中顯示的部分）。

這項(xiàng)研究所制備出的微生物墨水，其設(shè)計(jì)重新利用了 alpha 和 gamma 模塊之間的結(jié)合相互作用，即“旋鈕-孔（knob-hole）”的相互作用，病引入納米纖維之間的非共價(jià)交聯(lián)，以求在保持剪切稀釋性能的同時(shí)增強(qiáng)機(jī)械堅(jiān)固性。此外，研究人員表示，該實(shí)驗(yàn)中還值得注意的是，由 CsgA 自組裝形成的纖維具有高度穩(wěn)定性，并能抵抗蛋白水解、洗滌劑誘導(dǎo)和熱變性等多種優(yōu)點(diǎn)。

合成生物學(xué)新工具

可打印的生物墨水需要粘度足夠低，并且既要便于擠壓，又要足夠高的強(qiáng)度以便在打印后保持其形狀。

這項(xiàng)成果，對(duì)于 3D 生物打印技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)具有可調(diào)機(jī)械強(qiáng)度、高細(xì)胞活力和高打印保真度的高級(jí)生物墨水，起到了很大的推動(dòng)作用，擴(kuò)展了研究思維。

在他們看來，未來利用合成生物學(xué)家們研發(fā)出的、能夠不斷增長的生物部件“工具包”，微生物墨水可以進(jìn)一步為各種生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)。特別是當(dāng)需要與其他材料技術(shù)相結(jié)合時(shí)，例如那些已經(jīng)將活細(xì)胞納入結(jié)構(gòu)建筑材料的技術(shù)，該研究所制備的微生物生物墨水會(huì)尤其重要。

此外，其也可以在類似太空等極端環(huán)境下的人類棲息地，支持結(jié)構(gòu)建筑物的建成；因?yàn)樵谀欠N環(huán)境下原材料的運(yùn)輸是極為困難的，所以從非常有限的資源中按需生成建筑材料是必須要考慮的問題。

總體來看，目前 3D 生物打印尚且處于初始研發(fā)階段，生物墨水作為生物 3D 打印技術(shù)環(huán)節(jié)上的關(guān)鍵材料，也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

對(duì)于市場(chǎng)應(yīng)用來說，這些技術(shù)談及規(guī)?；?、市場(chǎng)化還為時(shí)尚早。但該研究領(lǐng)域的未來發(fā)展?jié)摿O大，可涉及的應(yīng)用也十分廣泛，包括個(gè)性化醫(yī)療器械、新型生物材料的研發(fā)、三維支架和三維細(xì)胞培養(yǎng)、再生醫(yī)學(xué)、多細(xì)胞生物學(xué)結(jié)構(gòu)體構(gòu)建，以及文中研究人員所設(shè)想的建筑材料等等。

可以說，生物 3D 打印技術(shù)正以極快的速度向前發(fā)展著，其已經(jīng)讓各種手術(shù)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域大大受益。未來，讓我們期待該領(lǐng)域能夠涌現(xiàn)更多的可以改善人類社會(huì)、變革相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

https://www.rs-online.com/designspark/home

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2017/12/3d-printed-minifactories.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171201181555.htm

撰文：楊奇

編審：HS

排版：李雪薇