南京工業(yè)大學(xué)余子夷CEJ：釀酒酵母能打印？利用新的生物墨水構(gòu)建催化活體材料

來源：EngineeringForLife


生物3D打印是通過增材制造的方式將生物材料、細(xì)胞和其他組分構(gòu)建成復(fù)雜的三維活性組織的一種先進(jìn)制造方式。相比于傳統(tǒng)方法，生物3D打印可以精確控制目標(biāo)物體的形狀、結(jié)構(gòu)及細(xì)胞在空間中的位置和相互作用，更好的模擬組織或器官的生理結(jié)構(gòu)及功能，實(shí)現(xiàn)活性組織的定制化設(shè)計(jì)，被視為廣泛應(yīng)用于組織工程、器官再生的新興技術(shù)。近些年來，微生物工程用于生產(chǎn)各種不同應(yīng)用的材料已取得一定成果，但以任意模式和形狀來構(gòu)建三維活體功能結(jié)構(gòu)仍是很大的挑戰(zhàn)。因此，結(jié)合生物3D打印技術(shù)構(gòu)建含有微生物的功能性“活體”材料為其開辟了新的空間。通過精確操縱構(gòu)建具有功能性和可編程性的微生物功能材料，不僅能夠優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對微生物種群3D結(jié)構(gòu)的控制，而且可以改善系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜，可擴(kuò)展的功能結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步擴(kuò)大了綠色生物制造的應(yīng)用場景。
  

圖1 顆粒凝膠作為生物墨水的3D打印示意圖

最近，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的余子夷團(tuán)隊(duì)在Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Biocatalytic living materials built by compartmentalized microorganisms in annealable granular hydrogels”的研究論文，報(bào)告了一種利用釀酒酵母作為功能活性物質(zhì)，采用顆粒凝膠對其進(jìn)行負(fù)載的進(jìn)行生物3D打印體系。這類新的生物墨水構(gòu)建活體材料分為三個(gè)階段（圖1）：首先是設(shè)計(jì)和發(fā)展一種微流控技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)負(fù)載釀酒酵母的顆粒凝膠制備；再利用擠出式生物3D打印設(shè)備（EFL團(tuán)隊(duì)提供）構(gòu)建納-微兩級的多孔支架結(jié)構(gòu)；最后通過鈣離子交聯(lián)形成退火的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在釀酒酵母代謝層面考察活體材料的催化性能。在這項(xiàng)工作中，通過對釀酒酵母的3D生物打印，證實(shí)了顆粒凝膠生物墨水構(gòu)建可控生物活體材料的能力，提高了微生物的催化效率，顯示了生物活體材料在未來變革性技術(shù)領(lǐng)域的潛力。

圖2 顆粒凝膠的制備和流變表征

在這項(xiàng)工作中，研究者們首先探究了如何采用顆粒凝膠負(fù)載釀酒酵母顆粒凝膠的過程。在這一過程中，先合成了巰基化海藻酸鈉和超支化聚乙二醇二丙烯酸酯，再采用流動(dòng)聚焦微流控裝置制備了以這兩種高分子為主要組分的微液滴，基于邁克爾加成反應(yīng)形成了分子間共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)了釀酒酵母細(xì)胞的固定。

負(fù)載酵母細(xì)胞的顆粒凝膠在“阻塞”狀態(tài)下具有明顯的剪切稀化特性，在剪切過程中表現(xiàn)出類似液體的流動(dòng)能力，可作為新型的生物墨水進(jìn)行3D打印。通過循環(huán)掃描應(yīng)變實(shí)驗(yàn)可以看出，顆粒凝膠通過一系列高和低應(yīng)變測試，展示了動(dòng)態(tài)應(yīng)變中從類固體（G'>G''）到類流體（G'

圖3 “阻塞”顆粒凝膠的3D打印

圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了顆粒凝膠具有良好的可打印性，擠出后的顆粒凝膠呈現(xiàn)緊密堆積形態(tài)。通過鈣離子介導(dǎo)的二次交聯(lián)使顆粒凝膠間能夠連接形成整體結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。顆粒凝膠成功打印出完整的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具有良好的支撐性和多孔結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡和共聚焦顯微鏡對其形態(tài)進(jìn)行表征，可以看出顆粒凝膠支架展現(xiàn)了良好的分級多孔結(jié)構(gòu)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和細(xì)胞生長。

圖4 顆粒凝膠支架的生物催化測定

進(jìn)一步，研究人員基于釀酒酵母細(xì)胞的代謝過程，考察了活體材料中的細(xì)胞活性，探究了負(fù)載酵母細(xì)胞的塊狀凝膠與網(wǎng)格凝膠的發(fā)酵效果。如圖4所示，通過12 h的孵育，多孔網(wǎng)格顯示出酵母細(xì)胞的生長和增殖，具有良好的生物相容性。釀酒酵母的代謝結(jié)果表明，與塊狀凝膠相比，3D多孔網(wǎng)格中的酵母產(chǎn)生的乙醇增加了1.5倍，具有更高的催化效率和可重復(fù)使用性，解決傳統(tǒng)塊狀凝膠傳質(zhì)不充分的問題，優(yōu)化了生物反應(yīng)器的傳質(zhì)特性，實(shí)現(xiàn)了生物催化過程的強(qiáng)化。

綜上所述，該工作利用液滴微流控技術(shù)制備了可固定釀酒酵母細(xì)胞的顆粒凝膠，通過與擠出式3D打印技術(shù)相結(jié)合，能夠調(diào)整菌株的空間配置，不需要對微生物進(jìn)行限制，具有很強(qiáng)的兼容性，實(shí)現(xiàn)了多孔微載體制備和可控支架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，為生產(chǎn)基于微生物的功能材料提供新的途徑，并在生物修復(fù)、生物傳感應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFC2104300）、國家自然科學(xué)基金（21901117，32111530117）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20190674）和材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（KL20-02）的支持。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136822