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。
 

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。
 

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。
 

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。
 

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。體積生物打印（VBP）在此基礎上發(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。
 

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。
 

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中的應用，如利用微生物細胞增殖實現(xiàn)形狀變形。
 

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。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，顯示出巨大的應用潛力。然而，要實現(xiàn)其實際應用，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

(責任編輯：admin)

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