综述：3D打印微生物材料的原理和应用

引言：

3D生物打印目前被广泛用于构建具有复杂空间结构的哺乳动物的组织结构。这给组织工程学带来了革命性的变化，也将为再生医学做出极大的贡献。近日，3D生物打印也被用于制造培养微生物的活组织，包括光合作用的单细胞微藻和细菌细胞。

来自美国加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的研究人员综述了以微生物为动力的3D生物材料的原理和应用。合理预测，3D打印微生物材料在生物医学、生物技术和设备制造以及生态系统恢复方面将具有巨大的潜力。

微生物材料的重要意义

地球上的生命是由微生物的能量和新陈代谢推动的。原核生物在能量代谢中起着核心作用，可以为高级生物产生必需的生物分子和基质。真核微生物，如单细胞藻类，通过光合作用为全球生物生产提供燃料。利用从化学工程、基因工程和合成生物学的各种方法利用微生物的能量一直是生物技术的核心目标。目前，微生物已被用来生产药品、化学品和生物能源，以及应用于生态系统恢复领域。

3D生物材料打印技术

构建工程生物材料需要控制活细胞的空间分布，因此，高空间和时间分辨率的制造技术对于可伸缩材料的生产是必不可少的。此外，构建过程需要在细胞封装过程中有合适的物理化学微环境，这使得传统的加工方法不适合生物材料的制造。到目前为止，最常用的生物制造技术是铸造成型和增材制造。

生物打印技术大致可分为两大类：基于材料沉积的3D打印和光固化式3D打印，如图所示。基于材料沉积的3D打印，例如基于喷墨和基于挤压的3D打印，利用可以在3D中移动的喷墨头或喷嘴，以逐滴或逐行方式精确地将生物材料沉积在打印衬底上。

基于材料沉积的3D打印兼容多种材料，包括PEGDA、GelMA、海藻酸盐、胶原、壳聚糖和明胶。它的制造分辨率从几十微米到数百微米不等，且受到喷嘴或喷墨头的尺寸限制。此外，挤压过程中的剪切力会降低细胞存活率。在光固化3D打印中，液态预聚体通过曝光进行交联和固化。3D结构可以像在立体光刻（SLA）中那样通过点扫描来构建，或者像在基于数字光处理(DLP)的3D打印中那样通过光学图案投影和逐层光聚合来构建。由于光学镜头可以精确操控光线，光固化3D打印技术可以达到微米甚至亚微米级的制造分辨率。此外，光固化生物打印具有更高的细胞存活率，因为该方法没有对细胞造成机械应力的物理喷嘴或喷墨头。

下表总结了近年来3D打印微生物材料的研究进展：

应用领域：

1. 3D打印生物制造工程和生物医学领域中的微生物材料：

（A)用于向慢性创面输送光合氧气的微藻-水凝胶贴片。(B)用于氧合和输送人类重组生长因子的光合缝。共聚焦荧光图像显示莱茵衣藻(红色)的分布，扫描电子显微镜图像显示手术缝线上藻类的分布(C)3D打印的含藻类支架(D)先用多酚基团功能化磷化铟(InP)纳米颗粒，然后将其组装到基因工程酵母(Saccharomyces Cerevisiae)的表面，形成模块化的无机-生物杂化酵母(Saccharomyces Cerevisiae)。(E)大肠杆菌-酵母隔室共培养，图中显示了RF(红色荧光)酵母和GFP(绿色)细菌的空间分布，以及高效生产甜菜黄素的代谢途径。缩写：HSF：人脾成纤维细胞；HUVEC：人脐静脉内皮细胞；PU：聚氨酯；TCA：三羧酸。

2. 3D打印可供能的微生物材料

研究人员对利用微生物将太阳能直接转化为电能的关注越来越大，因为它具有可持续性和生物友好性。微生物驱动的生物光伏(BPV)设备原则上是完全由光合作用驱动的微生物燃料电池驱动的。BPV设备利用光合作用微生物作为其生物成分来发电。3D打印有助于快速制造具有受控空间分布的BPV器件。

(A)3D打印生物光伏装置示意图。 (B)采用3D打印蓝藻菌落进行光合作用生物发电的仿生蘑菇示意图。生物蘑菇(BM)和非生物蘑菇(AM)。 (C)3D打印的含有藻类的仿生珊瑚，用于生产生物质。

3.3D打印可应用于响应装置的微生物材料

在自然界中，微生物可以通过执行功能来响应其微环境中的时空变化，包括细胞通信、代谢物生产和增殖。因此，由微生物提供动力的生物材料现在已被用于设计响应设备，包括生物传感器、柔性机器人、柔性计算机和具有可编译功能和响应功能的微型发电机。

(A)一种具有生物相容性的水凝胶-弹性体合成材料，促进了微生物的存活和细胞间对外界刺激的交流。(B)将基因工程微生物与3D生物打印相结合，以控制细胞和信号的空间分布。(C)“活体纹身”包裹了不同的细胞，这些细胞可以对一系列化学物质的荧光发射做出反应。(D)具有不透明度和不均匀的化学信号浓度的可编译混合生物材料的可穿戴标尺。 (E)细菌驱动的微型输送器示意图，用于主动运输和运送货物到细胞。

4. 3D打印应用于环境领域的微生物材料

一些微生物已经进化到能够有效地吸收、吸附或降解包括重金属和油在内的污染物，因此可以用于生物友好废水处理。将生物材料与微生物自然降解污染物的能力相结合可以增强它们的修复能力。

珊瑚具有重要的生态系统功能，对海岸保护至关重要，可减弱高达90%的入射波浪能量。研究人员正利用3D打印微生物寻找恢复珊瑚礁和创造人工珊瑚礁的创新方法。

（A）具有用于生物修复的功能化的3D打印细菌。（B）微型3D打印珊瑚骨架珊瑚。图片微天然珊瑚骨架和3D打印模拟。通过基于数字光处理（DLP）的掺杂有纤维素纳米晶体的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）的生物打印实现高分辨率打印。（C）大尺寸3D打印珊瑚结构。使用UV诱导的光聚合生物打印碳酸钙以结合底物。（D）大尺寸打印机器制造的载藻水凝胶面板（1000×500 mm）。

总结：

生物3D打印技术的快速进步表明，微生物材料将在现实生活中，特别是在生物医学领域中得到广泛应用。由于这一领域的研究是高度跨学科的，而且往往结合了例如聚合物化学、生物工程、微生物学和海洋生物学等领域，所以它需要一个专门研究的基础设施，研究界未来应该着眼于密闭这一差距，这将迅速加快3D打印微生物驱动的生物材料的开发。

注：本文内容呈现略有调整，若需可以查看原文。

改编原文：Daniel Wangpraseurt,Shangting You, Yazhi Sun, Shaochen Chen,Biomimetic 3D living materials poweredby microorganisms,Trends in Biotechnology,2022 .

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.01.003