《Small》：用于水質(zhì)評(píng)估的含硅藻生物材料的生物3D打印

來源： EngineeringForLife

硅藻長(zhǎng)期以來一直被用作評(píng)估全球湖泊和河流水質(zhì)的活生物指標(biāo)。雖然這種方法受益于這些單細(xì)胞藻類的巨大多樣性，但建立的方案非常耗時(shí)并且需要專門的設(shè)備。近日，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Gilberto Siqueira、Gustav Nyström和André R. Studart團(tuán)隊(duì)3D打印了含有硅藻的水凝膠，可用作水評(píng)估的簡(jiǎn)單多重生物指示劑。基于水凝膠的生物材料是在臺(tái)式擠出打印機(jī)的幫助下創(chuàng)建的，使用硅藻，纖維素納米晶體（CNC）和藻酸鹽的懸浮液作為生物墨水成分。含硅藻水凝膠的生物打印被證明是一種誘人的方法，可以生產(chǎn)可作為水質(zhì)評(píng)估的低成本生物指標(biāo)的生物材料。

相關(guān)論文“3D Bioprinting of Diatom-Laden Living Materials for Water Quality Assessment”于2023年9月10日在線發(fā)表于雜志《Small》上。

活生物指示劑的3D生物打印通過四個(gè)主要步驟進(jìn)行：使用選定的硅藻制備生物墨水，設(shè)備的擠出生物打印，硅藻增殖和水評(píng)估（圖1）。

圖1 用于活硅藻3D打印的制造平臺(tái)

為了探索對(duì)水污染物具有不同耐受水平的細(xì)胞，研究者選擇了三種硅藻物種進(jìn)行生物打印，三者的形態(tài)尺寸如圖2所示。所選的淡水和咸水物種適合作為平臺(tái)的生物指標(biāo)，因?yàn)樗|(zhì)更常在淡水中研究。

圖2 所選硅藻的形態(tài)

研究者對(duì)油墨的流變行為進(jìn)行了評(píng)估，以確定實(shí)現(xiàn)擠出印刷工藝所需的剪切稀化響應(yīng)、存儲(chǔ)模量和屈服應(yīng)力所需的CNC顆粒濃度。穩(wěn)剪切測(cè)量揭示了用CNC濃度在8-25 wt%范圍內(nèi)制備的油墨的強(qiáng)烈剪切稀化響應(yīng)（圖3a-c）。生物打印實(shí)驗(yàn)證實(shí)，含有8 wt%CNC的油墨制成的結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)硬，無法阻止重力引起的印刷品底部的坍塌（圖3a）。相比之下，含有18 wt%CNC的配方可以很容易地打印成高保真、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖3d）。使用含有1.5 wt%海藻酸鹽的含有細(xì)胞的生物墨水配方進(jìn)行的首次定性測(cè)試表明，硅藻在含鈣培養(yǎng)基中孵育4天后仍保持活力，并且能夠在印刷的水凝膠中分裂（圖3d）?；谶@些結(jié)果，選擇含有18 wt%CNC和1.5 wt%海藻酸鈉的生物墨水組合物作為在L1（富集海水）培養(yǎng)基中培養(yǎng)的硅藻的基礎(chǔ)配方。

圖3 生物油墨流變學(xué)、適印性和硅藻生長(zhǎng)

為了確定這些硅藻對(duì)所選污染物的敏感性，研究者自由生活的懸浮硅藻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（圖4a）。從熒光數(shù)據(jù)中獲得的最大可接受毒物濃度（MATC）值定義為將無污染對(duì)照樣品的熒光降低50%所需的鹽和污染物濃度（圖4b）。結(jié)果表明，兩種硅藻在溶液中的NaCl的MATC值存在顯著差異，而兩種微生物與除草劑DCMU抗菌劑的敏感性相當(dāng)。

印刷結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡顯示硅藻不會(huì)混合并保持被困在矩形圖案中（圖4c）。為了檢查它們是否具有代謝活性，將打印的水凝膠在含有不同濃度的鹽，除草劑和抗菌劑的培養(yǎng)基中孵育。孵育14天后水凝膠的熒光顯微鏡顯示，與先前在溶液實(shí)驗(yàn)中觀察到的硅藻相比，硅藻顯示出不同的靈敏度特征（圖4d-e）。

圖4 硅藻在NaCl或水污染物存在下生長(zhǎng)

此外，硅藻對(duì)水污染物的不同敏感性最終被用來打印具有高表面積和易于視覺讀數(shù)的多路復(fù)用活指標(biāo)（圖5）。將兩種硅藻組合在一個(gè)器件中，可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用傳感（圖5c-f）。這種設(shè)計(jì)包含無細(xì)胞支撐油墨，解除了對(duì)含硅藻油墨的流變學(xué)限制，簡(jiǎn)化了生物油墨設(shè)計(jì)，并在同一活生物指示劑中沉積多種物質(zhì)。研究者也證實(shí)了在專門設(shè)備的幫助下，可以在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)（圖5g-h）。

圖5 通過含硅藻水凝膠的多材料生物打印制成的活生物指示劑

綜上，含有硅藻的水凝膠可以3D打印成活的生物指示劑，用于簡(jiǎn)單的視覺讀數(shù)評(píng)估水性污染物。用作原料的水凝膠油墨需要最佳濃度的纖維素納米晶體、海藻酸鈉和鈣離子，以實(shí)現(xiàn)擠出生物打印所需的流變特性，同時(shí)保持足夠的柔軟性和生物相容性，以允許嵌入的硅藻增殖。具有優(yōu)化配方的水凝膠可實(shí)現(xiàn)生物打印、有效截留和對(duì)水污染物具有明顯敏感性的選定硅藻的差異生長(zhǎng)。使用這些優(yōu)化的油墨，可以打印便攜式生物指示劑。該生物打印平臺(tái)展示了如何利用天然微生物的代謝活性為社會(huì)相關(guān)應(yīng)用創(chuàng)建活的功能設(shè)備。

文章來源：https://doi.org/10.1002/smll.202300771