《Nature Materials》重磅：为3D打印注入“生命力”！

来源： EngineeringForLife

近年来，3D打印的概念逐渐为人们所熟知，其主要是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前已经有了许多不同的商业化3D打印机，并在模具制造、工业设计等领域得到广泛应用。然而实际上，3D打印更为重要的潜在应用就是用于人工器官和组织修复材料的精密制造、以及人工智能的构建等领域，但目前的3D打印大多都是使用非生命材料打印制造非生命结构，想要实现上述的宏远目标，一个重要的过程就是对3D打印注入“生命力”，赋予3D打印材料生命！尤其是生物学中发现的复杂适应性系统的许多新特性，在工程生物材料中仍然没有得到有效的结合和探索。

细菌、真菌等微生物在现实生活中无处不在，近年来，这些微生物的一些独特生物过程逐渐被深入开发利用，甚至作为组分合成了一系列具有独特功能的生物基合成材料，为这些合成材料的在更广泛领域内的应用增添了新的希望。近日，受真菌菌丝体的启发，来自瑞士苏黎世联邦理工的André R. Studart教授等人创造性地设计了一种利用真菌菌丝的新兴特性整合3D打印技术来制造具有“生命”的复杂材料的方法，该策略制备的活体材料可实现自我修复，再生和环境适应，同时充分发挥材料的功能服务于特定的工程目的。该材料的制作主要是将装载真菌的水凝胶利用3D打印技术打印成晶格结构，从而促进菌丝在水凝胶里的定位植入，并实现间隙之间的桥连，研究还基于该方法制造了一种具有“生命力”的仿生皮肤材料，该材料展现出坚固的机械性能，同时可以实现自我清洁、以及损伤后自动适应和再生。相关研究内容以“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”为题，于2022年12月22日发表于国际顶级期刊《Nature Materials》，并进行Research Briefing专栏报道。

1. 关键科学问题

传统的合成材料都会随着时间的推移而退化，在没有人为干预的情况下无法进行自适应或愈合。此外，制造这些材料通常需要高温和苛刻的条件，而相比之下，由生物有机体制成的生物材料，如木材和骨骼，都可以实现生长、自我再生并自主适应环境的特性，从而更全面地发挥其生物功能，此外，这些生物材料通常可以在温和的温度下由生物体的生物机械驱动的水生产。工程生物材料领域近年来也一直都在研究利用微生物生物学为材料带来生命，并取得了相应的一些研究进展，但现在亟需解决的一个关键内容是，如何探索在自然界中为特定任务进化的真菌生物机制与工程应用中功能和几何约束的相互协调和辅助。

2. 创新型解决方案

通过3D打印装载有菌丝的水凝胶（该真菌菌丝用来从土壤中提取养分的根状菌丝网络），研究者们创造了具有定制几何形状和自我再生特性的活体材料。3D打印可以将活体材料塑造成多样的几何结构，并保留由菌丝体编码结构所需的生物机制，使得其具有自我再生和适应的活体生命能力。研究选取真菌作为目标微生物，主要是由于真菌已经进化为通过土壤颗粒之间的缝隙生长，可以通过桥接因破坏而产生的开放空间来再生响应的结构。为了利用真菌的这一潜力，研究打印了网格状水凝胶结构，从而为菌丝生长提供一个机械坚固的开放气道结构和营养丰富的环境，该网格结构采用粒状水凝胶基材打印，该基材由接种有真菌的凝胶培养基组成，分布在基材中的菌丝从而可以在最终打印结构中形成一个相互连接的真菌细胞网络。

图1 通过3D打印富含菌丝体的水凝胶制成的活体复合材料和物体

该研究结合3D打印得到的材料中的活菌丝展现出了两种生长模式：结合周围环境的探索（游击模式）和开发（方阵模式）的平衡生长策略。这种生长会产生分形菌丝网络，为3D网络结构提供了较强的机械强度，且该过程在室温下与于水中即可发生。此外，菌丝在受损部位的生长可以实现该结构的自行愈合，愈合尺寸高达2 mm（ 直径），这些过程中真菌的生长和分裂仅由营养物质支持，无需人为干预。因此，该方法能够用于高效地制造具有复杂系统动态特性的活性材料。此外，该研究开发的这一活体打印材料与之前的研究不同，在这些打印的菌丝体结构中，真菌可以在制造过程结束时仍然保持较好的生命力。除了自我修复，菌丝体网络的生长也可以用于合并打印的水凝胶以形成复杂的结构。研究最后还通过3D打印活体功能性皮肤，并将其应用于无约束机器人和可编程抓取器，从而展示了富含菌丝体的3D打印水凝胶极大的应用潜力。

图2 10%麦芽浓度菌丝体活体材料的生长和机械硬度

3. 未来研究方向

通过将3D打印提供的灵活成型能力与微生物的生物机制相结合，该研究的创新策略有望被推广到增材制造其他功能性生物材料。机器人皮肤和建筑元素的设计可以通过调节这些生物材料的适应性行为和温和的加工条件进行高效优化。且与传统的机器人和建筑部件不同，功能性生物材料可以自主改变其内部结构以修复损伤，并对环境变化产生响应性行为。通过利用真菌网络探索和利用其在自然环境中的固有能力，3D打印活菌丝体将能够被设计为可感知、驱动甚至响应外部刺激的多功能仿生活体材料。

图3 菌丝体活性材料的存活、自愈及应用

基于这一工作，未来的研究将进一步开发可以长期供应营养物质和清除成型真菌废物的复杂生物机制，从而实现更加系统的材料功能控制，研究认为结合人工血管网络可能可以实现这一目标，甚至可以从周围环境中获取营养。当然，了解该研究中菌丝体网络的长期稳定性以及活性物质如何与其环境相互作用，对于为工程应用的活菌丝体材料的设计蓝图十分重要。此外，利用3D打印作为控制真菌和其他微生物的空间分布的工具，拓宽打印过程中功能性微生物的多样性并探索共生相互作用，将有助于开发可以利用多级生物过程的复杂智能生物材料。



文章来源：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01429-5