MIT研究出結(jié)合生物元素的3D打印物體

2020年1月28日，南極熊從外媒獲悉，麻省理工學(xué)院（MIT）等單位的研究人員開發(fā)出一種3D打印對象的新方法，能夠以可預(yù)測的方式控制生物行為。

研究人員說，該技術(shù)可用于制造3D打印生物醫(yī)學(xué)工具，例如定制的牙套，這些工具結(jié)合了活細(xì)胞可以制造治療性化合物，例如止痛藥或局部療法。

這項新進展是由MIT 副教授Neri Oxman，研究生Rachel Soo Hoo Smith，Christoph Bader和Sunanda Sharma以及MIT、哈佛大學(xué)Wyss研究所和Dana-Farber癌癥研究所的其他6人領(lǐng)導(dǎo)。 最近在《Advanced Functional Materials》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了該系統(tǒng)。

Smith說：“我們稱它們?yōu)榛旌仙�命材料（hybrid living materials）或HLMs” 。 在最初的概念驗證實驗中，該團隊將各種化學(xué)物質(zhì)精確地結(jié)合到了3D打印工藝中。 這些化學(xué)物質(zhì)充當(dāng)信號來激活生物工程微生物中的某些響應(yīng)，這些微生物被噴涂在打印物體上。 一旦噴涂好之后，微生物就會根據(jù)化學(xué)信號顯示特定的顏色或熒光。

在他們的研究中，研究小組描述了這些彩色圖案在各種打印物體中的出現(xiàn)，他們說這證明了活細(xì)胞已成功地并入3D打印材料的表面，并在放置了化學(xué)品的位置響應(yīng)了細(xì)胞的活化。

他們的目的是要制造出一種結(jié)合了生物元素的物體和裝置，其制造方式與其他工業(yè)制造工藝一樣具有可預(yù)測性和可擴展性。

該團隊通過多個步驟來生產(chǎn)他們的混合材料。首先，他們使用市售多材料噴墨3D打印機，以及用于3D打印的樹脂和化學(xué)材料組合的定制配方。

△多材料體素級3D打印機Stratasys J750

他們發(fā)現(xiàn)一種類型的樹脂，通常僅用于為打印結(jié)構(gòu)的懸垂部分提供臨時支撐，然后在打印后溶解，可以通過與結(jié)構(gòu)樹脂材料混合來產(chǎn)生有用的結(jié)果。包含此支撐材料的結(jié)構(gòu)部分將成為吸收劑，并能夠保留控制活生物體行為的化學(xué)信號。

最后，添加生物層：水凝膠的表面涂層（一種主要由水組成的凝膠狀材料，提供了穩(wěn)定耐用的晶格結(jié)構(gòu)）被注入生物工程細(xì)菌，然后噴涂到物體上。

Smith說：“我們可以在打印形狀內(nèi)定義混合生物材料和生物合成產(chǎn)品的非常具體的形狀和分布，無論是顏色還是治療劑�！边@些初始測試形狀中的某些形狀制成了銀元大小的圓盤，其他形狀則制成了彩色面罩，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的活菌提供了顏色。隨著細(xì)菌的生長，顏色需要幾個小時才能形成，一旦到位，顏色就會保持穩(wěn)定。

Oxman說：“這種方法在實際應(yīng)用中發(fā)揮了作用，因為設(shè)計人員現(xiàn)在能夠通過計算算法來控制生命系統(tǒng)的增長。將設(shè)計計算，增材制造和合成生物學(xué)相結(jié)合，HLMs平臺指出了這些技術(shù)可能對看似完全不同的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響�！�

團隊使用的打印平臺允許在結(jié)構(gòu)的不同部分之間連續(xù)精確地改變打印對象的材料屬性，其中某些部分較硬，另一些則更柔韌，有些則具有吸收性，而另一些則具有拒液性。這樣的變化在設(shè)計生物醫(yī)學(xué)裝置時可能有用，所述生物醫(yī)學(xué)裝置可以提供強度和支撐，同時還柔軟且柔韌以在它們與身體接觸的地方提供舒適感。

該團隊包括生物學(xué)，生物工程學(xué)和計算機科學(xué)領(lǐng)域的專家，他們提出了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產(chǎn)生可預(yù)測的跨打印對象的生物學(xué)行為模式，而不受諸如化學(xué)物質(zhì)在材料中擴散等因素的影響。通過對這些效果進行計算機建模，研究人員開發(fā)了軟件，他們說這些軟件可以提供與傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)所用的計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木�度�?br />

該多樹脂3D打印平臺可以使用三到七種不同比例，性質(zhì)不同的樹脂。與合成生物工程相結(jié)合，這使得設(shè)計具有生物表面的對象成為可能，該對象可以被編程為以可重現(xiàn)但完全可自定義的方式以特定方式對特定刺激（例如光或溫度或化學(xué)信號）做出響應(yīng)。

Oxman說：“將來，面罩中包含的顏料可以用對人體有益的化學(xué)物質(zhì)代替，例如維生素，抗體或抗菌藥物�！� “想象一下一個可穿戴的產(chǎn)品，旨在引導(dǎo)定制的抗生素形成，以適應(yīng)其用戶的基因構(gòu)成�；蛘�，考慮可以檢測污染的智能包裝，或可以實時響應(yīng)并適應(yīng)環(huán)境提示的對環(huán)境敏感的建筑外觀。”

研究人員說，在他們的測試中，研究小組使用了轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌，因為它們生長迅速并且得到了廣泛的使用和研究，但原則上也可以使用其他生物。

團隊成員包括Dominik Kolb，Tzu-Chieh Tang，Christopher Voigt和MIT的Felix Moser。哈佛醫(yī)學(xué)院達納-法伯癌癥研究所的艾哈邁德·霍斯尼（Ahmed Hosny）；和哈佛大學(xué)懷斯學(xué)院的詹姆斯·韋弗（James Weaver）。它得到了羅伯特·伍德·約翰遜基金會，蓋蒂實驗室，DARPA工程生活材料協(xié)議以及國家安全科學(xué)與工程學(xué)院獎學(xué)金的支持。


來源：MIT