更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新 - 合成纤维杂志社投稿

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更好用的3D打印“活体”墨水来了，合成生物的新

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文丨学术头条，作者丨杨奇，编审丨HS

3D 打印这一技术概念从最早“横空出世”一般突然火热起来，到如今已经不仅在科研领域受到广泛关注，在产业领域也已初具规模。在汽车、航空航天、军工等制造业，以及医疗、文创、教育等诸多行业已有很多具体 3D 打印的应用，成型的材料还基本都是金属或非金属，并以粉末状、线状和液态为主。

随着 3D 打印技术与市场的日趋成熟，其与计算机图形学、机器人学、生命科学、材料科学等领域的交叉愈发广泛，多学科的融合程度逐渐深化，这也为 3D 打印提供了更为丰富的可能性和广阔的发展前景。而 3D 生物打印正是从 3D 打印逐层构建材料并最终形成产品的增材制造过程演化而来，其能够生产可精确控制的组织复杂度类似的 3D 组织构建物。

而该技术的关键就在于打印的材料，并且也继承了 3D 打印一贯对材料的高要求。不再是以往的金属或者非金属，3D 生物打印中使用的材料包含活细胞和生物材料，一般被称为“生物墨水”。

做为打印材料，生物墨水首先要有很好的生物活性，类似于体内细胞外基质一般，以便在打印成型后细胞能进一步发育并建立起细胞间的联系。其次就是要求具有很好的成形性，而且是在打印时要好的流动性，打印后又能很快地固化成型。

目前，利用微生物工程生产面向各种不同应用的材料已取得一定成果，但以任意的模式和形状来构建三维机构却始终是一项很大的挑战。

近日，由美国哈佛大学的约翰·保尔森工程与应用科学学院、威斯生物工程研究所、医学院医学部和工程部，以及美国东北大学化学与化学生物学系的学生们一同完成了一项关于生物墨水的研究。他们的研究工作将先进的纳米生物技术与活性材料技术相结合，为 3D 生物打印技术生产功能性“活体”开辟了新空间。这项研究也发表在了自然杂志的子刊 Nature Communications 上。

充分利用微生物的遗传可编程性

活细胞具有合成分子成分的能力，并且能够在纳米尺度上精确地进行组装，因为具有在适当环境条件下构建宏观的活体功能结构。

来自哈佛大学的 Anna 和 Avinash 带着研究团队着手开发一种，被他们叫做“微生物墨水（microbial ink）”的打印材料。

它完全由基因工程微生物细胞所制成，经过程序化设计使蛋白质单体自下而上的分层自组装为纳米纤维，并进一步构成包含了可挤出水凝胶的纳米纤维网络。通过将基因工程大肠杆菌（E.coli）细胞和纳米纤维嵌入微生物墨水中，研究人员向外界进一步展示了功能生物材料的 3D 打印技术；该技术可以有效地隔离有毒部分，释放生物制剂，并通过合理设计的遗传物质，经化学诱导来调节自身细胞的生长。

实际上，3D 生物打印在组织工程学背景下，打印哺乳动物细胞的技术相对成熟一些，最近已经用在了打印生物技术和生物医学领域所需要的微生物细胞。但如今已经探索出的喷墨印刷（inkjet printing）、接触印刷（contact printing）、丝网印刷（screen printing）和平版印刷（lithographic）等技术，相比于基于挤压法（extrusion-based）的生物印刷技术，在兼容性、性价比上都略显不足。因此，在这个概念下有很多的方法路径研究，也探索出了许多种生物墨水。

但是迄今为止，还没有人充分利用微生物的遗传可编程性来合理地控制生物墨水的机械特性。

研究人员认为出于对多种因素的考虑，这个想法对于可持续的制造实践应用、在资源贫乏环境（比如一些荒芜的陆地或外星宇宙）中制造原材料，以及通过仿生设计和基因工程的精确性增强材料性能等领域都将起到推动作用。这就是 Anna 和 Avinash 要进行该项目研究的初衷。

他们对最终目标的设想分为三个阶段，首先是设计出一种具有高打印保真度的可挤出生物墨水；然后再通过“自下而上”的方法完全由工程微生物来生产这种生物墨水；最后，则是创建出一个可编程的平台，在更大更宏观的层面实现 3D 打印活体结构的先进功能，从而将新兴的活体材料领域推向从未被开发的前沿科技蓝海中。

利用基因工程

在这项工作中，他们做出了完全由基因工程的大肠杆菌生物膜制备出的微生物墨水。并且他们在论文中详细介绍了这款微生物墨水的具体特征，展示了其结构和形状的完整性。

文章来源：《合成纤维》网址: http://www.hcqwzz.cn/zonghexinwen/2021/1130/672.html