11月28日，Phys.org报道称，哈佛大学和哈佛医学院布莱根妇女医院的研究团队已经开发出一种“活墨水”，可用于打印创建3D结构的相同活材料。该团队对大肠杆菌和其他微生物的细胞进行基因工程改造，以制造活的纳米纤维，将这些纤维捆绑在一起，并添加其他材料来生产可用于标准3D打印机的墨水。到目前为止，他们已经使用活性墨水打印了两种带有活性成分的3D物体。一种是在受到某些化学物质刺激时会分泌抗癌药物天青蛋白的材料。另一种是无需其他化学品或设备帮助即可隔离BPA的材料。据了解，该研究成果已发表在期刊《自然通讯》上。研究人员认为他们的概念表明墨水可能能够自我创造。通过对微生物进行工程改造以推动它们复制自己。他们还表示，该技术似乎可能用于打印可自我修复的可再生建筑材料——这是在地球、月球或火星上建造自给自足房屋的一种可能方式。01为3D打印添加新材料3D打印的技术概念从最初“横空出世”开始就突然火了起来，现在不仅受到了科研领域的广泛关注，也开始被广泛采用在工业领域中形成。3D打印在汽车、航空航天、军工等制造业，以及医疗、文创、教育等诸多行业都有很多具体的应用。主要是液体。随着3D打印技术和市场的成熟，其与计算机图形学、机器人学、生命科学、材料科学等学科交叉，具有丰富的发展可能性和广阔的前景。3D生物打印从3D打印的增材制造过程演变而来，逐层构建材料，最终形成产品，可以生产出具有相似组织复杂性、可精确控制的3D组织结构。这项技术的关键在于打印的材料，也继承了3D打印对材料的高要求。它不再是过去的金属或非金属。3D生物打印使用的材料包括活细胞和生物材料，一般称为“生物墨水”作为打印材料。生物墨水首先要有良好的生物活性，类似于体内的细胞外基质一般，打印后细胞才能进一步发育并建立细胞间连接。其次要求具有良好的成型性，印刷时必须具有良好的流动性，印刷后能够快速固化成型。目前，利用微生物工程生产各种应用材料已取得一定成果，但构建具有任意图案和形状的三维结构一直是一个巨大的挑战。近日，来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院、威斯生物工程研究所、医学院医学与工程系、东北大学化学与化学生物学系的学生共同完成一个专案。生物墨水研究。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，为通过3D生物打印技术生产功能性“生命体”开辟了新的空间。该研究还发表在Nature子刊NatureCommunications上。02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，可以在纳米尺度上进行精确组装，因为它们具有在适当的环境条件下构建宏观生命功能结构的能力。来自哈佛大学的Anna和Avinash带领一个研究团队开发了一种他们称之为“微生物墨水”的打印材料。它完全由基因工程微生物细胞制成，经过编程可自下而上将蛋白质单体自组装成纳米纤维，并进一步构成包含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，研究人员进一步展示了功能性生物材料的3D打印；该技术可以有效地隔离毒性部分，释放生物制剂，并合理设计遗传物质，通过化学诱导来调节自身细胞的生长。事实上，在组织工程的背景下，3D生物打印是打印哺乳动物细胞的一项相对成熟的技术，最近被用于打印生物技术和生物医学领域所需的微生物细胞。然而，当今探索的喷墨印刷、接触印刷、丝网印刷、平版印刷等技术与基于挤出（extrusion-based）的生物打印技术相比，在兼容性和性价比方面略有不足。因此，在这一理念下，出现了多种研究方法和路径，探索出了多种生物墨水。但到目前为止，还没有人充分利用微生物的遗传可编程性来合理控制生物墨水的机械性能。研究人员认为，由于多种因素的结合，该想法对于可持续制造实践、在资源匮乏的环境（例如一些贫瘠土地或外星宇宙）中制造原材料以及通过仿生设计和基因工程进行精确制造非常有用。性能增强材料等领域将发挥推动作用。这就是Anna和Avinash想出这个研究项目的原因。他们对最终目标的设想分为三个阶段，首先是设计具有高打印保真度的可挤压生物墨水；生物墨水；最后，打造可编程平台，在更大、更宏观的层面上实现3D打印生命结构的先进功能，从而将新兴的生命材料领域推向从未开发过的尖端技术蓝海。03使用基因工程在这项工作中，他们制作了完全由基因工程大肠杆菌生物膜制备的微生物墨水。他们在论文中详细介绍了这种微生物墨水的具体特征，展示了其结构和形状的完整性。更长远的影响是，通过将基因工程大肠杆菌细胞嵌入微生物墨水中，他们展示了3D打印各种潜在生物墨水的可能性，例如治疗性生物材料、分离生物材料和可调节生物材料。图|微生物墨水的设计策略、生产和功能应用示意图（来源：NatureCommunications）。纤维的主要结构成分CsgA与基因工程大肠杆菌结合产生微生物墨水。分泌后，CsgA-α和CsgA-γ单体通过球形孔结合相互作用自组装成交联纳米纤维。b显示旋钮和孔结构域源自纤维蛋白，它们在凝块形成过程中的超分子聚合中起着关键作用。图c显示了从工程蛋白纳米纤维生产微生物墨水的总体方案，涉及标准细菌培养、有限的加工步骤，并且不添加外源聚合物。最后，将微生物墨水进行3D打印以获得功能性生物材料。这种设计的想法建立在研究团队早期的工作之上，Anna和Avinash之前证明了大肠杆菌的天然蛋白质盘绕纳米纤维。在体内基因工程编辑中，产生了剪切稀释水凝胶。同时，为了创造出具有理想粘弹性的生物墨水，他们引入了一种受纤维蛋白启发的基因工程交联策略（如上图b所示）。本研究中生产的微生物墨水的设计重新利用了alpha和gamma模块之间的结合相互作用，称为“旋钮孔”相互作用，并引入了纳米纤维之间的非常规相互作用。价交联以增强机械强度，同时保持剪切稀化特性。此外，研究人员表示，本次实验还值得注意的是，CsgA自组装形成的纤维具有高度稳定、抗蛋白水解、洗涤剂诱导和热变性等优点。04合成生物学的新工具可打印生物墨水的粘度必须足够低以便于挤压，但又要足够坚固以在打印后保持其形状。这一成果极大地推动了生物3D打印技术领域机械强度可调、细胞活力高、打印逼真度高的先进生物墨水的发展，拓展了研究思路。在他们看来，未来，利用合成生物学家开发的可以持续生长的生物成分“工具包”，可以进一步定制微生物墨水，用于各种生物技术和生物医学应用。特别是当与其他材料技术相结合时，例如将活细胞结合到结构建筑材料中的技术，这项研究产生的微生物生物墨水将尤为重要。此外，它还可以支持在太空等极端环境中建造人类栖息地的结构建筑；由于在那种环境下原材料的运输极其困难，建筑材料是从非常有限的资源中按需生产的这是一个必须考虑的问题。总体而言，生物3D打印还处于初级研发阶段，而生物墨水作为生物3D打印技术的关键材料，也是该领域研究的重点。对于市场应用，现在谈论这些技术的规模化和市场化还为时过早。但该研究领域未来发展潜力巨大，可应用范围广泛，包括个性化医疗器械、新型生物材料研发、三维支架及三维细胞培养、再生医学等，多细胞生物结构的构建，以及研究人员在本文中设想的建筑材料等。可以说，生物3D打印技术正在以极快的速度发展，极大地造福于外科、再生医学等各个领域。未来，让我们期待更多能够改善人类社会、改造相关产业的技术在该领域涌现。
