3D打印裝載工程菌的明膠/海藻酸鈉復合水凝膠用于電離輻射的生物檢測

來源：生物設計與制造BDM

本研究論文聚焦于工程化細菌檢測環(huán)境因素的載體制備及制造研究。利用工程菌檢測環(huán)境中的化學毒物、重金屬、放射性物質等有害因素具有廣闊的應用前景，但由于工程菌自身條件限制，大多無法在外界環(huán)境中現(xiàn)場應用。近年來，生物3D打印水凝膠被廣泛用于活細胞培養(yǎng)、組織工程等方面，其在保證細胞活性的前提下還可根據(jù)不同應用場景進行形狀的個性化設計，有望解決工程菌現(xiàn)場應用問題。本研究從環(huán)境電離輻射檢測的問題出發(fā)，通過構建工程菌并根據(jù)性能進行篩選，得到了可在電離輻射誘導下產生綠色熒光信號的輻射響應工程菌。以明膠和海藻酸鈉作為主要材料，設計不同配方的水凝膠，通過比較其成膠性能、壓縮性能和可打印性等篩選得到最優(yōu)的水凝膠載體。將工程菌載入水凝膠載體中，通過存活率和熒光強度檢測發(fā)現(xiàn)3D打印水凝膠可作為活細菌的優(yōu)良載體，為工程菌提供與培養(yǎng)基相媲美的培養(yǎng)條件以及支撐和保護作用。最終制備得到的3D打印載菌明膠/海藻酸鈉復合水凝膠能在受到電離輻射時產生綠色熒光，實現(xiàn)環(huán)境電離輻射的報告。本研究采用的生物3D打印水凝膠技術為工程菌實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測應用提供了新的策略，為環(huán)境電離輻射監(jiān)測提供了一種新的方法。

圖1 輻射響應工程菌裝載的3D打印明膠/海藻酸鈉復合水凝膠設計原理圖

圖2 輻射響應質粒和工程菌的構建及表征。(a) 輻射響應質粒pEC-PrecA::egfp構建流程示意圖；(b) 輻照前后輻射響應工程菌的熒光顯微鏡成像。EC-1：DH5α為底盤菌株的輻射響應工程菌；EC-2：BL21為底盤菌株的輻射響應工程菌；EC-3：野生型大腸桿菌（ATCC25922）為底盤菌株的輻射響應工程菌

圖3 明膠/海藻酸鈉復合水凝膠3D打印效果。(a) 擠出式3D打印示意圖；(b) 3D打印時不同溫度下的擠出絲狀態(tài)（圖中以HGA為例）；(c) 不同配方復合水凝膠不同層數(shù)的3D打印效果；(d) HGA不同形狀的3D打印效果。LGA：低濃度明膠/海藻酸鈉水凝膠（5%明膠，1.25%海藻酸鈉）；LGAC：低濃度明膠/海藻酸鈉/纖維素納米晶水凝膠（5%明膠，1.25%海藻酸鈉，0.25% 纖維素納米晶）；HGA：高濃度明膠/海藻酸鈉水凝膠（10%明膠，1.25%海藻酸鈉）；HGAC：高濃度明膠/海藻酸鈉/纖維素納米晶水凝膠（10%明膠，1.25%海藻酸鈉，0.25% 纖維素納米晶）

圖4 載工程菌的3D打印復合水凝膠的熒光強度。(a) 載EC-4的3D打印HGA的共聚焦顯微鏡成像；(b) 輻照前后輻射響應工程菌裝載的3D打印明膠/海藻酸鈉復合水凝膠的共聚焦顯微鏡成像。EC-4：可組成型產生綠色熒光的大腸桿菌工程菌，作為陽性對照