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。
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。
分泌后,CsgA-α 和 CsgA-γ 单体通过球状孔结合相互作用自组装成交联的纳米纤维。b展示了旋钮和孔域来自于纤维蛋白,它们在血凝块形成过程中的超分子聚合环节起到了关键作用。图中的 c 则显示,整个从工程蛋白质纳米纤维来生产微生物墨水的方案,涉及标准的细菌培养、有限的加工步骤,并且不必添加外源聚合物。最后微生物墨水被 3D 打印,来获得功能性生物材料。
这个设计的想法是基于研究团队的早期工作基础,在之前 Anna 和 Avinash 证明了大肠杆菌生物膜细胞外基质(ECM)的原生蛋白卷曲纳米纤维可通过将功能性多肽/蛋白质融合到卷曲 CsgA 的单体中来进行基因工程编辑,从而产生剪切稀释水凝胶。同时,为了创造出具有理想粘弹性的生物墨水,他们又引入了一种遗传工程的交联策略,这个灵感就来自于纤维蛋白(上图 b 中显示的部分)。