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11 月 28 日消息，Phys.org 報(bào)告稱，哈佛大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院布萊根婦女醫(yī)院的一組研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種“活體墨水”，可以用來(lái)打印創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)的同樣活體材料。
該團(tuán)隊(duì)對(duì)大腸桿菌和其他微生物的細(xì)胞進(jìn)行了基因工程，以制造活的納米纖維，將這些纖維捆扎起來(lái)，并添加其他材料來(lái)生產(chǎn)一種可以在標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印機(jī)中使用的墨水。
目前他們使用活體墨水打印了兩種具有活體組件的 3D 對(duì)象。一種是在某些化學(xué)物質(zhì)的刺激下分泌 azurin（一種抗癌藥物）的材料。另一種是在沒(méi)有其他化學(xué)品或設(shè)備幫助的情況下隔離雙酚 A 的材料。
據(jù)了解，該研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。研究人員認(rèn)為，他們的概念表明，這種墨水可能能夠自我創(chuàng)造。通過(guò)將工程添加到微生物中，以推動(dòng)它們產(chǎn)生自己的副本。他們還表示，該技術(shù)似乎可能用于打印自我修復(fù)的可再生建筑材料 —— 在地球、月球或火星上建造自給自足房屋的可能方法。
3D 打印這一技術(shù)概念從最早“橫空出世”一般突然火熱起來(lái)，到如今已經(jīng)不僅在科研領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域也已初具規(guī)模。在汽車、航空航天、軍工等制造業(yè)，以及醫(yī)療、文創(chuàng)、教育等諸多行業(yè)已有很多具體 3D 打印的應(yīng)用，成型的材料還基本都是金屬或非金屬，并以粉末狀、線狀和液態(tài)為主。
隨著 3D 打印技術(shù)與市場(chǎng)的日趨成熟，其與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的交叉愈發(fā)廣泛，多學(xué)科的融合程度逐漸深化，這也為 3D 打印提供了更為豐富的可能性和廣闊的發(fā)展前景。而 3D 生物打印正是從 3D 打印逐層構(gòu)建材料并最終形成產(chǎn)品的增材制造過(guò)程演化而來(lái)，其能夠生產(chǎn)可精確控制的組織復(fù)雜度類似的 3D 組織構(gòu)建物。
而該技術(shù)的關(guān)鍵就在于打印的材料，并且也繼承了 3D 打印一貫對(duì)材料的高要求。不再是以往的金屬或者非金屬，3D 生物打印中使用的材料包含活細(xì)胞和生物材料，一般被稱為“生物墨水”
做為打印材料，生物墨水首先要有很好的生物活性，類似于體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)一般，以便在打印成型后細(xì)胞能進(jìn)一步發(fā)育并建立起細(xì)胞間的聯(lián)系。其次就是要求具有很好的成形性，而且是在打印時(shí)要好的流動(dòng)性，打印后又能很快地固化成型。
目前，利用微生物工程生產(chǎn)面向各種不同應(yīng)用的材料已取得一定成果，但以任意的模式和形狀來(lái)構(gòu)建三維機(jī)構(gòu)卻始終是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。
近日，由美國(guó)哈佛大學(xué)的約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、威斯生物工程研究所、醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)部和工程部，以及美國(guó)東北大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的學(xué)生們一同完成了一項(xiàng)關(guān)于生物墨水的研究。他們的研究工作將先進(jìn)的納米生物技術(shù)與活性材料技術(shù)相結(jié)合，為 3D 生物打印技術(shù)生產(chǎn)功能性“活體”開辟了新空間。這項(xiàng)研究也發(fā)表在了自然雜志的子刊 Nature Communications 上。
活細(xì)胞具有合成分子成分的能力，并且能夠在納米尺度上精確地進(jìn)行組裝，因?yàn)榫哂性谶m當(dāng)環(huán)境條件下構(gòu)建宏觀的活體功能結(jié)構(gòu)。
來(lái)自哈佛大學(xué)的 Anna 和 Avinash 帶著研究團(tuán)隊(duì)著手開發(fā)一種，被他們叫做“微生物墨水（microbial ink）”的打印材料。
它完全由基因工程微生物細(xì)胞所制成，經(jīng)過(guò)程序化設(shè)計(jì)使蛋白質(zhì)單體自下而上的分層自組裝為納米纖維，并進(jìn)一步構(gòu)成包含了可擠出水凝膠的納米纖維網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)將基因工程大腸桿菌（E.coli）細(xì)胞和納米纖維嵌入微生物墨水中，研究人員向外界進(jìn)一步展示了功能生物材料的 3D 打印技術(shù)；該技術(shù)可以有效地隔離有毒部分，釋放生物制劑，并通過(guò)合理設(shè)計(jì)的遺傳物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)誘導(dǎo)來(lái)調(diào)節(jié)自身細(xì)胞的生長(zhǎng)。
實(shí)際上，3D 生物打印在組織工程學(xué)背景下，打印哺乳動(dòng)物細(xì)胞的技術(shù)相對(duì)成熟一些，最近已經(jīng)用在了打印生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所需要的微生物細(xì)胞。但如今已經(jīng)探索出的噴墨印刷（inkjet printing）、接觸印刷（contact printing）、絲網(wǎng)印刷（screen printing）和平版印刷（lithographic）等技術(shù)，相比于基于擠壓法（extrusion-based）的生物印刷技術(shù)，在兼容性、性價(jià)比上都略顯不足。因此，在這個(gè)概念下有很多的方法路徑研究，也探索出了許多種生物墨水。
但是迄今為止，還沒(méi)有人充分利用微生物的遺傳可編程性來(lái)合理地控制生物墨水的機(jī)械特性。
研究人員認(rèn)為出于對(duì)多種因素的考慮，這個(gè)想法對(duì)于可持續(xù)的制造實(shí)踐應(yīng)用、在資源貧乏環(huán)境（比如一些荒蕪的陸地或外星宇宙）中制造原材料，以及通過(guò)仿生設(shè)計(jì)和基因工程的精確性增強(qiáng)材料性能等領(lǐng)域都將起到推動(dòng)作用。這就是 Anna 和 Avinash 要進(jìn)行該項(xiàng)目研究的初衷。
他們對(duì)最終目標(biāo)的設(shè)想分為三個(gè)階段，首先是設(shè)計(jì)出一種具有高打印保真度的可擠出生物墨水；然后再通過(guò)“自下而上”的方法完全由工程微生物來(lái)生產(chǎn)這種生物墨水；最后，則是創(chuàng)建出一個(gè)可編程的平臺(tái)，在更大更宏觀的層面實(shí)現(xiàn) 3D 打印活體結(jié)構(gòu)的先進(jìn)功能，從而將新興的活體材料領(lǐng)域推向從未被開發(fā)的前沿科技藍(lán)海中。
在這項(xiàng)工作中，他們做出了完全由基因工程的大腸桿菌生物膜制備出的微生物墨水。并且他們?cè)谡撐闹性敿?xì)介紹了這款微生物墨水的具體特征，展示了其結(jié)構(gòu)和形狀的完整性。
更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響是，他們通過(guò)將基因工程的大腸桿菌細(xì)胞嵌入到微生物墨水里，顯示了 3D 打印治療性生物材料、隔離性生物材料和可調(diào)節(jié)性生物材料等多種潛在生物墨水的可能。
圖 | 微生物墨水的設(shè)計(jì)策略、生產(chǎn)和功能應(yīng)用示意圖（來(lái)源：Nature Communications）
在圖中的 a 部分，研究人員將源自纖維蛋白的 α（旋鈕）和 γ（孔）蛋白結(jié)構(gòu)域，與卷曲納米纖維的主要結(jié)構(gòu)成分 CsgA 相結(jié)合，對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因工程改造以產(chǎn)生微生物墨水。
分泌后，CsgA-α 和 CsgA-γ 單體通過(guò)球狀孔結(jié)合相互作用自組裝成交聯(lián)的納米纖維。b展示了旋鈕和孔域來(lái)自于纖維蛋白，它們?cè)谘龎K形成過(guò)程中的超分子聚合環(huán)節(jié)起到了關(guān)鍵作用。圖中的 c 則顯示，整個(gè)從工程蛋白質(zhì)納米纖維來(lái)生產(chǎn)微生物墨水的方案，涉及標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)菌培養(yǎng)、有限的加工步驟，并且不必添加外源聚合物。最后微生物墨水被 3D 打印，來(lái)獲得功能性生物材料。
這個(gè)設(shè)計(jì)的想法是基于研究團(tuán)隊(duì)的早期工作基礎(chǔ)，在之前 Anna 和 Avinash 證明了大腸桿菌生物膜細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的原生蛋白卷曲納米纖維可通過(guò)將功能性多肽/蛋白質(zhì)融合到卷曲 CsgA 的單體中來(lái)進(jìn)行基因工程編輯，從而產(chǎn)生剪切稀釋水凝膠。同時(shí)，為了創(chuàng)造出具有理想粘彈性的生物墨水，他們又引入了一種遺傳工程的交聯(lián)策略，這個(gè)靈感就來(lái)自于纖維蛋白（上圖 b 中顯示的部分）。
這項(xiàng)研究所制備出的微生物墨水，其設(shè)計(jì)重新利用了 alpha 和 gamma 模塊之間的結(jié)合相互作用，即“旋鈕-孔（knob-hole）”的相互作用，病引入納米纖維之間的非共價(jià)交聯(lián)，以求在保持剪切稀釋性能的同時(shí)增強(qiáng)機(jī)械堅(jiān)固性。此外，研究人員表示，該實(shí)驗(yàn)中還值得注意的是，由 CsgA 自組裝形成的纖維具有高度穩(wěn)定性，并能抵抗蛋白水解、洗滌劑誘導(dǎo)和熱變性等多種優(yōu)點(diǎn)。
可打印的生物墨水需要粘度足夠低，并且既要便于擠壓，又要足夠高的強(qiáng)度以便在打印后保持其形狀。
這項(xiàng)成果，對(duì)于 3D 生物打印技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)具有可調(diào)機(jī)械強(qiáng)度、高細(xì)胞活力和高打印保真度的高級(jí)生物墨水，起到了很大的推動(dòng)作用，擴(kuò)展了研究思維。
在他們看來(lái)，未來(lái)利用合成生物學(xué)家們研發(fā)出的、能夠不斷增長(zhǎng)的生物部件“工具包”，微生物墨水可以進(jìn)一步為各種生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行個(gè)性化的定制設(shè)計(jì)。特別是當(dāng)需要與其他材料技術(shù)相結(jié)合時(shí)，例如那些已經(jīng)將活細(xì)胞納入結(jié)構(gòu)建筑材料的技術(shù)，該研究所制備的微生物生物墨水會(huì)尤其重要。
此外，其也可以在類似太空等極端環(huán)境下的人類棲息地，支持結(jié)構(gòu)建筑物的建成；因?yàn)樵谀欠N環(huán)境下原材料的運(yùn)輸是極為困難的，所以從非常有限的資源中按需生成建筑材料是必須要考慮的問(wèn)題。
總體來(lái)看，目前 3D 生物打印尚且處于初始研發(fā)階段，生物墨水作為生物 3D 打印技術(shù)環(huán)節(jié)上的關(guān)鍵材料，也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
對(duì)于市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)談及規(guī)模化、市場(chǎng)化還為時(shí)尚早。但該研究領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展?jié)摿O大，可涉及的應(yīng)用也十分廣泛，包括個(gè)性化醫(yī)療器械、新型生物材料的研發(fā)、三維支架和三維細(xì)胞培養(yǎng)、再生醫(yī)學(xué)、多細(xì)胞生物學(xué)結(jié)構(gòu)體構(gòu)建，以及文中研究人員所設(shè)想的建筑材料等等。
可以說(shuō)，生物 3D 打印技術(shù)正以極快的速度向前發(fā)展著，其已經(jīng)讓各種手術(shù)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域大大受益。未來(lái)，讓我們期待該領(lǐng)域能夠涌現(xiàn)更多的可以改善人類社會(huì)、變革相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)。
文章整理自IT之家、中國(guó)醫(yī)療頻道
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