南京工業(yè)大學：3D打印具有生物催化功能的活體材料

來源： EngineeringForLife

微生物可以在生物材料與組織工程中與脫細胞成分協(xié)同工作，從而應用到生物制造、生物修復或生物醫(yī)學工程中去。而生物3D打印可將微生物與水凝膠材料進行融合，能夠控制細胞和化學成分的空間分布，且與傳統(tǒng)的液體培養(yǎng)相比，還提高了整體的生物催化性能。但如何將活性組分有效整合到強化水凝膠中并平衡其可打印性和生物相容性，構建出利于細胞生存的微環(huán)境仍是一大挑戰(zhàn)。擠出式生物3D打印要求生物打印材料具有剪切變稀和應變恢復性能并可交聯(lián)固化，而這些要求皆表明生物打印過程中的動態(tài)控制也是挑戰(zhàn)之一。因此迫切需要能夠創(chuàng)建具有明確3D形狀的定制活體材料的策略，特別是在構建3D結構的同時改變其組成和功能特性。

來自南京工業(yè)大學的余子夷、陳蘇教授團隊開發(fā)了一種具有生物催化功能的的活體材料，由雙網(wǎng)絡高分子和微生物細胞共同構成，并可用作生物墨水，結合EFL擠出式生物3D打印機（EFL-BP-6602）進行精確的生物3D打印制造，可為微生物提供良好的生存環(huán)境和理想的力學性能。通過將含微生物的水凝膠加載在擠出式生物3D打印設備中，可以直接打印具有高細胞活性的生物材料，并維持代謝活性，同時制備了一種細菌-藻類共培養(yǎng)系統(tǒng)，顯示了去除污染物進行生物修復的可能性。相關研究“3D Printed Biocatalytic Living Materials with Dual-Network Reinforced Bioinks”發(fā)表于《small》雜志上。

在生物墨水的設計上，選用功能化后的多糖透明質酸（HA）聚合物與葫蘆[8]脲 (CB[8])，將兩者預先混合，形成物理交聯(lián)的3D網(wǎng)絡超分子水凝膠，然后將超分子凝膠與微生物混合獲得可打印的生物墨水（圖1）。

圖1 基于功能化的透明質酸的雙交聯(lián)載體設計

為測試生物墨水的可打印性能，研究人員評估了活性生物墨水的流變性能并對其進行高振蕩應變(500 %)和低振蕩應變(1 %)的循環(huán)測試（圖2），結果表明該生物墨水具有良好的剪切變稀以及應變恢復性能。

圖2 活體材料的3D打印

為驗證3D打印的雙網(wǎng)絡支架的應用，設計并利用了一個酵母培養(yǎng)基循環(huán)裝置，以在酵母發(fā)酵過程中最大限度地提高乙醇生產(chǎn)率（圖3）。結果發(fā)現(xiàn)3D打印晶格水凝膠的乙醇生產(chǎn)率明顯高于大塊水凝膠，表明3D打印的活體材料有著更高的催化效率。

圖3 生物催化活體材料的發(fā)酵性能

為拓展該雙網(wǎng)絡水凝膠生物墨水的應用，設計了一個枯草桿菌-小球藻共培養(yǎng)系統(tǒng)（圖4），用以吸收二氧化碳和催化降解污染物，證明了開發(fā)的活體材料在生物修復領域有著重要價值。

圖4 多細胞生物活體材料用于二氧化碳固定和生物修復

綜上，該研究利用動態(tài)化學以及雙交聯(lián)網(wǎng)絡的方法開發(fā)了一種具有良好的生物相容性和力學性能的生物墨水，并結合擠出式生物3D打印制造了在微尺度空間固定微生物和構建多細胞共生的生物活體材料，實現(xiàn)了生物催化的強化?；诖搜兄频募毦?微藻共培養(yǎng)系統(tǒng)在化學物質的生物降解方面具有廣闊的應用前景。這項研究為探索新的生物相容性良好的可打印生物墨水提供了一個新的突破。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/smll.202104820