工程化活體材料與 3D 生物打印融合：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與展望

來源：EFL生物3D打印與生物制造

工程化活體材料（ELMs）是一類新興的生物雜交材料，具有基因可編程功能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，要將其轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品和工程解決方案，需要與制造技術(shù)有效整合，而目前在這一整合過程中面臨諸多挑戰(zhàn)，例如生物墨水設(shè)計困難，難以兼顧3D打印性和細胞兼容性，以及對ELMs中活細胞與非活基質(zhì)之間相互作用的理解不足等問題。

來自德克薩斯大學阿靈頓分校的Kyungsuk Yum教授團隊，綜述了3D生物打印的研究進展。他們探討了當前3D生物打印與ELMs交叉領(lǐng)域的發(fā)展狀況，涵蓋了多種3D生物打印方式在ELMs構(gòu)建中的應(yīng)用。團隊提出了在該領(lǐng)域未來發(fā)展的關(guān)鍵觀點，包括深入理解ELMs中活細胞與非活成分的相互作用以優(yōu)化生物墨水設(shè)計、將合成生物學融入生物打印流程、利用微生物生長作為打印后制造工藝以及整合形狀變形材料實現(xiàn)ELMs的4D打印等。相關(guān)工作以 “Integrating Engineered Living Materials with 3D Bioprinting” 為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

1. 3D生物打印工程化活體材料。圖1展示了用于制造工程化活體材料（ELMs）三維結(jié)構(gòu)的四種3D打印方式，分別是擠出式3D打印、在支撐浴中嵌入式3D打印、數(shù)字光處理3D打印和體積3D打印，并對比了它們在打印過程、速度、分辨率、材料兼容性、優(yōu)缺點等方面的差異。同時列舉了不同打印技術(shù)搭配的生物墨水、打印后交聯(lián)方式及微生物細胞實現(xiàn)的功能。

圖1. 用于制造ELMs三維結(jié)構(gòu)的3D打印方式：呈現(xiàn)四種打印方式的示意圖，直觀展示各自的工作原理，如擠出式3D打印通過擠出生物墨水細絲逐層構(gòu)建，嵌入式3D打印將生物墨水打印到支撐浴中等。

2. 擠出式3D生物打印。詳細介紹擠出式3D打印過程，包括生物墨水從噴嘴擠出、沉積形成結(jié)構(gòu)，以及打印后交聯(lián)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。強調(diào)設(shè)計此類生物墨水面臨的挑戰(zhàn)，如平衡打印性與細胞兼容性的難題，引出具有剪切稀化和自愈合特性的凝膠相生物墨水這一解決方案，還介紹了通用生物墨水平臺等策略。

圖2. 擠出式3D打印：對比凝膠相和液相生物墨水，展示凝膠相生物墨水的剪切稀化（受應(yīng)力時從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)便于擠出）和自愈合（擠出后恢復固態(tài)維持形狀）特性，以及使用通用易逝網(wǎng)絡(luò)生物墨水進行3D打印的流程。

3. 在支撐浴中嵌入式3D生物打印。闡述在支撐浴中嵌入式3D打印是制造ELMs的3D構(gòu)建體的另一種選擇，它將生物墨水打印到屈服應(yīng)力介質(zhì)（支撐浴）中，降低了生物墨水的流變學要求，利于制造復雜結(jié)構(gòu)，還能通過移除打印細絲創(chuàng)建具有通道的結(jié)構(gòu)，以木醋桿菌制造細菌纖維素結(jié)構(gòu)為例說明。

圖4. 在支撐浴中嵌入式3D打印通過木醋桿菌原位生物合成細菌纖維素來制造細菌纖維素結(jié)構(gòu)：展示支撐介質(zhì)（聚四氟乙烯微粒）的微觀圖像、打印過程示意圖、打印的三維模型和實際結(jié)構(gòu)，以及打印后細菌纖維素的形成和結(jié)構(gòu)特點。

4. 基于光的3D生物打印。介紹數(shù)字光處理（DLP）3D生物打印技術(shù)，它利用圖案化光選擇性交聯(lián)光敏液體生物墨水，實現(xiàn)高通量和高分辨率打印，但對生物墨水要求高。展示了DLP打印構(gòu)建ELMs的案例，如打印含大腸桿菌的結(jié)構(gòu)及細胞在其中的生長情況。

圖5. ELMs的數(shù)字光處理3D生物打?。撼尸F(xiàn)3D打印網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的圖像，以及表達綠色熒光蛋白（GFP）的大腸桿菌在不同水凝膠基質(zhì)中隨時間的熒光強度變化數(shù)據(jù)，直觀反映打印結(jié)構(gòu)和細胞生長狀況。

5. 體積3D生物打印。體積3D打印是新興的基于光的打印技術(shù)，能同時生成整個3D物體，具有快速、可擴展等優(yōu)點，但需大量生物墨水。體積生物打?。╒BP）在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可與在支撐浴中嵌入式3D打印集成，制造多材料構(gòu)建體。

圖6. 體積3D打?。赫故卷樞驊腋≡〈蛴。ㄇ度胧酱蛴。┖腕w積打印的流程，以及多材料構(gòu)建體的示意圖和實際打印構(gòu)建體的圖像，呈現(xiàn)其制造過程和結(jié)構(gòu)特點。

6. 3D打印活體構(gòu)建體的打印后生長作為一種制造過程。以真菌菌絲體水凝膠的3D打印為例，說明將微生物生長納入3D生物打印后，打印構(gòu)建體可隨時間生長和演化，菌絲生長能填充間隙、強化結(jié)構(gòu)，還賦予構(gòu)建體自我愈合能力。

圖8. 3D打印活體構(gòu)建體的打印后生長：展示3D打印活體菌絲結(jié)構(gòu)的生長策略（如根據(jù)營養(yǎng)狀況選擇不同生長模式）、不同生長天數(shù)的結(jié)構(gòu)變化、橫截面圖像，以及菌絲自我愈合的顯微鏡圖像。

7. 形狀變形材料與ELMs的3D生物打印的整合。介紹將形狀變形材料與3D生物打印結(jié)合實現(xiàn)4D打印，可創(chuàng)建具有自適應(yīng)和動態(tài)形態(tài)的活體構(gòu)建體。展示了多種4D打印方法及在ELMs中的應(yīng)用，如利用微生物細胞增殖實現(xiàn)形狀變形。

圖9. 4D打?。赫故净跀D出的仿生4D打印原理（通過控制纖維素纖維排列實現(xiàn)各向異性膨脹和變形）及生成的復雜花狀形態(tài)，以及數(shù)字光4D打印通過2D材料編程實現(xiàn)3D成型的過程。

圖10. 將形狀變形材料與ELMs的3D生物打印相結(jié)合：使用ELMs中的微生物細胞作為驅(qū)動形狀轉(zhuǎn)變的活性成分進行4D打印：呈現(xiàn)酵母細胞增殖誘導ELM體積膨脹和形狀變形的過程，以及多材料形狀變形ELM的打印和變形情況。

結(jié)論
本研究表明，工程化活體材料（ELMs）與3D生物打印的融合，能夠創(chuàng)造出具有定制幾何形狀和可編程功能的活體構(gòu)建體，為3D打印帶來新的制造能力。二者的結(jié)合將ELMs的生物可編程性與3D打印結(jié)構(gòu)的幾何驅(qū)動功能相結(jié)合，顯著拓展了技術(shù)應(yīng)用范圍，推動“活體”增材制造范式的發(fā)展，使打印構(gòu)建體能夠像生物有機體一樣，對外界環(huán)境做出生長或進化的反應(yīng)。在生物醫(yī)學、環(huán)境和工業(yè)生物制造等領(lǐng)域，3D打印的ELMs已展現(xiàn)出增強的功能，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，要實現(xiàn)其實際應(yīng)用，仍需解決維持細胞活力和確保生物安全性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來，合成生物學、材料科學和3D生物打印領(lǐng)域的跨學科合作，對于克服這些挑戰(zhàn)、充分釋放3D打印ELMs的潛力至關(guān)重要 。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202500934