科学家制造出 3D 打印“活体墨水”,有望用于自我再生材料

11 月 28 日消息,Phys.org 报告称,哈佛大学和哈佛医学院布莱根妇女医院的一组研究人员已经开发出一种“活体墨水”,可以用来打印创建 3D 结构的同样活体材料。

该团队对大肠杆菌和其他微生物的细胞进行了基因工程,以制造活的纳米纤维,将这些纤维捆扎起来,并添加其他材料来生产一种可以在标准 3D 打印机中使用的墨水。

目前他们使用活体墨水打印了两种具有活体组件的 3D 对象。一种是在某些化学物质的刺激下分泌 azurin(一种抗癌药物)的材料。另一种是在没有其他化学品或设备帮助的情况下隔离双酚 A 的材料。

据了解,该研究成果已发表在《自然通讯》杂志上。研究人员认为,他们的概念表明,这种墨水可能能够自我创造。通过将工程添加到微生物中,以推动它们产生自己的副本。他们还表示,该技术似乎可能用于打印自我修复的可再生建筑材料 —— 在地球、月球或火星上建造自给自足房屋的可能方法。

01 3D打印中再添新材料

3D 打印这一技术概念从最早“横空出世”一般突然火热起来,到如今已经不仅在科研领域受到广泛关注,在产业领域也已初具规模。在汽车、航空航天、军工等制造业,以及医疗、文创、教育等诸多行业已有很多具体 3D 打印的应用,成型的材料还基本都是金属或非金属,并以粉末状、线状和液态为主。

随着 3D 打印技术与市场的日趋成熟,其与计算机图形学、机器人学、生命科学、材料科学等领域的交叉愈发广泛,多学科的融合程度逐渐深化,这也为 3D 打印提供了更为丰富的可能性和广阔的发展前景。而 3D 生物打印正是从 3D 打印逐层构建材料并最终形成产品的增材制造过程演化而来,其能够生产可精确控制的组织复杂度类似的 3D 组织构建物。

而该技术的关键就在于打印的材料,并且也继承了 3D 打印一贯对材料的高要求。不再是以往的金属或者非金属,3D 生物打印中使用的材料包含活细胞和生物材料,一般被称为“生物墨水”

做为打印材料,生物墨水首先要有很好的生物活性,类似于体内细胞外基质一般,以便在打印成型后细胞能进一步发育并建立起细胞间的联系。其次就是要求具有很好的成形性,而且是在打印时要好的流动性,打印后又能很快地固化成型。

目前,利用微生物工程生产面向各种不同应用的材料已取得一定成果,但以任意的模式和形状来构建三维机构却始终是一项很大的挑战。

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。他们的研究工作将先进的纳米生物技术与活性材料技术相结合,为 3D 生物打印技术生产功能性“活体”开辟了新空间。这项研究也发表在了自然杂志的子刊 Nature Communications 上。

02充分利用微生物的遗传可编程性

活细胞具有合成分子成分的能力,并且能够在纳米尺度上精确地进行组装,因为具有在适当环境条件下构建宏观的活体功能结构。

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

它完全由基因工程微生物细胞所制成,经过程序化设计使蛋白质单体自下而上的分层自组装为纳米纤维,并进一步构成包含了可挤出水凝胶的纳米纤维网络。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示了功能生物材料的 3D 打印技术;该技术可以有效地隔离有毒部分,释放生物制剂,并通过合理设计的遗传物质,经化学诱导来调节自身细胞的生长。

实际上,3D 生物打印在组织工程学背景下,打印哺乳动物细胞的技术相对成熟一些,最近已经用在了打印生物技术和生物医学领域所需要的微生物细胞。但如今已经探索出的喷墨印刷(inkjet printing)、接触印刷(contact printing)、丝网印刷(screen printing)和平版印刷(lithographic)等技术,相比于基于挤压法(extrusion-based)的生物印刷技术,在兼容性、性价比上都略显不足。因此,在这个概念下有很多的方法路径研究,也探索出了许多种生物墨水。

但是迄今为止,还没有人充分利用微生物的遗传可编程性来合理地控制生物墨水的机械特性。

研究人员认为出于对多种因素的考虑,这个想法对于可持续的制造实践应用、在资源贫乏环境(比如一些荒芜的陆地或外星宇宙)中制造原材料,以及通过仿生设计和基因工程的精确性增强材料性能等领域都将起到推动作用。这就是 Anna 和 Avinash 要进行该项目研究的初衷。

他们对最终目标的设想分为三个阶段,首先是设计出一种具有高打印保真度的可挤出生物墨水;然后再通过“自下而上”的方法完全由工程微生物来生产这种生物墨水;最后,则是创建出一个可编程的平台,在更大更宏观的层面实现 3D 打印活体结构的先进功能,从而将新兴的活体材料领域推向从未被开发的前沿科技蓝海中。

03利用基因工程

在这项工作中,他们做出了完全由基因工程的大肠杆菌生物膜制备出的微生物墨水。并且他们在论文中详细介绍了这款微生物墨水的具体特征,展示了其结构和形状的完整性。

更为长远的影响是,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 打印治疗性生物材料、隔离性生物材料和可调节性生物材料等多种潜在生物墨水的可能。

图 | 微生物墨水的设计策略、生产和功能应用示意图(来源:Nature Communications)

在图中的 a 部分,研究人员将源自纤维蛋白的 α(旋钮)和 γ(孔)蛋白结构域,与卷曲纳米纤维的主要结构成分 CsgA 相结合,对大肠杆菌进行基因工程改造以产生微生物墨水。

分泌后,CsgA-α 和 CsgA-γ 单体通过球状孔结合相互作用自组装成交联的纳米纤维。b展示了旋钮和孔域来自于纤维蛋白,它们在血凝块形成过程中的超分子聚合环节起到了关键作用。图中的 c 则显示,整个从工程蛋白质纳米纤维来生产微生物墨水的方案,涉及标准的细菌培养、有限的加工步骤,并且不必添加外源聚合物。最后微生物墨水被 3D 打印,来获得功能性生物材料。

这个设计的想法是基于研究团队的早期工作基础,在之前 Anna 和 Avinash 证明了大肠杆菌生物膜细胞外基质(ECM)的原生蛋白卷曲纳米纤维可通过将功能性多肽/蛋白质融合到卷曲 CsgA 的单体中来进行基因工程编辑,从而产生剪切稀释水凝胶。同时,为了创造出具有理想粘弹性的生物墨水,他们又引入了一种遗传工程的交联策略,这个灵感就来自于纤维蛋白(上图 b 中显示的部分)。

这项研究所制备出的微生物墨水,其设计重新利用了 alpha 和 gamma 模块之间的结合相互作用,即“旋钮-孔(knob-hole)”的相互作用,病引入纳米纤维之间的非共价交联,以求在保持剪切稀释性能的同时增强机械坚固性。此外,研究人员表示,该实验中还值得注意的是,由 CsgA 自组装形成的纤维具有高度稳定性,并能抵抗蛋白水解、洗涤剂诱导和热变性等多种优点。

04合成生物学新工具

可打印的生物墨水需要粘度足够低,并且既要便于挤压,又要足够高的强度以便在打印后保持其形状。

这项成果,对于 3D 生物打印技术领域开发具有可调机械强度、高细胞活力和高打印保真度的高级生物墨水,起到了很大的推动作用,扩展了研究思维。

在他们看来,未来利用合成生物学家们研发出的、能够不断增长的生物部件“工具包”,微生物墨水可以进一步为各种生物技术和生物医学应用进行个性化的定制设计。特别是当需要与其他材料技术相结合时,例如那些已经将活细胞纳入结构建筑材料的技术,该研究所制备的微生物生物墨水会尤其重要。

此外,其也可以在类似太空等极端环境下的人类栖息地,支持结构建筑物的建成;因为在那种环境下原材料的运输是极为困难的,所以从非常有限的资源中按需生成建筑材料是必须要考虑的问题。

总体来看,目前 3D 生物打印尚且处于初始研发阶段,生物墨水作为生物 3D 打印技术环节上的关键材料,也是该领域的研究重点。

对于市场应用来说,这些技术谈及规模化、市场化还为时尚早。但该研究领域的未来发展潜力极大,可涉及的应用也十分广泛,包括个性化医疗器械、新型生物材料的研发、三维支架和三维细胞培养、再生医学、多细胞生物学结构体构建,以及文中研究人员所设想的建筑材料等等。

可以说,生物 3D 打印技术正以极快的速度向前发展着,其已经让各种手术和再生医学等领域大大受益。未来,让我们期待该领域能够涌现更多的可以改善人类社会、变革相关产业的技术。

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