簡簡單單，纖維素/聚丙烯酰胺水凝膠發(fā)了一篇AFM！用于4D打印工程生物材料

來源：高分子科學(xué)前沿

刺激響應(yīng)材料通過自愈、改變機(jī)械性能或從一種形式變形到另一種形式來響應(yīng)外部環(huán)境的變化。通常，這些刺激會直接改變材料的物理特性，從而產(chǎn)生所需的刺激反應(yīng)。然而，觸發(fā)形狀變化的外部刺激通常是溫度變化、紫外線照射或溶劑接觸，這些通常是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的所要避免的限制因素。一般來說，如果在人體內(nèi)使用這些類型的刺激，可能會對周圍組織造成不可逆的有害影響。為了克服這些限制，對環(huán)境中細(xì)微的生化刺激作出反應(yīng)的材料可能更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。工程活體材料 (ELM)整合了活細(xì)胞和化學(xué)合成兩種交叉學(xué)科，并已被用于制造生物刺激響應(yīng)設(shè)備。ELM 是利用活細(xì)胞的生物學(xué)功能來檢測環(huán)境中的微小變化并以程序化的方式做出響應(yīng)的材料。

受ELM的響應(yīng)特性的啟發(fā)，來自的德克薩斯A&M大學(xué)的Taylor H. Ware團(tuán)隊報告了一種使用直接墨水打印原理來制造工程生物材料(ELM)的方法，該材料通過對特定分子進(jìn)行程序化的形狀變化來做出響應(yīng)。通過整合只有在特定生物分子存在的情況下才能增殖的基因工程酵母，將刺激響應(yīng)特性賦予ELM。這種增殖反過來會導(dǎo)致ELM變形，以響應(yīng)生物分子刺激。這些ELM是通過共同打印包含多種酵母菌株的生物墨水制造的。在ELM的局部，細(xì)胞增殖會導(dǎo)致材料的可控的變形，從而導(dǎo)致體積增加高達(dá)370%。在全局范圍內(nèi)，打印的 3D 結(jié)構(gòu)包含體積膨脹的材料區(qū)域和在給定條件下不會膨脹的區(qū)域，因此產(chǎn)生可編程的變形效果去響應(yīng)目標(biāo)氨基酸和核苷酸。最后，利用這種打印方法可以設(shè)計一種基于儲層的藥物輸送系統(tǒng)，從而用于響應(yīng)特定生物分子的模型藥物的按需輸送。相關(guān)工作以題為“4D Printing of Engineered Living Materials”的研究性文章在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。

含細(xì)胞油墨的組成
本文究了含酵母生物墨水和無細(xì)胞墨水的水凝膠的4D打印(圖1A)。重要的是，控制酵母菌數(shù)量和類型的空間分布可以控制3D結(jié)構(gòu)內(nèi)細(xì)胞的增殖，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形為復(fù)雜的形狀。本文還配制了一系列可以交聯(lián)成水凝膠的可打印油墨，并研究了含細(xì)胞材料和無細(xì)胞材料的流變行為。含細(xì)胞油墨由酵母(釀酒酵母或布拉酵母)、作為流變調(diào)節(jié)劑的纖維素納米晶(CNCs)、作為線性單體的丙烯酰胺、作為交聯(lián)劑的雙丙烯酰胺(BIS)、作為光引發(fā)劑的LAP和水組成(圖1B)。

圖1.形狀變形工程生物材料的制造。

CNC對ELMs和無細(xì)胞油墨可印染性的影響
隨著CNC濃度的增加，油墨在低剪切速率下的粘度略有增加(圖2A)。由11、16、19或22wt%CNC以及如上所述相同濃度的單體、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑組成的無細(xì)胞油墨也具有強(qiáng)烈的剪切稀釋性，并且隨著CNC濃度的增加，粘度略有增加(圖2B)。細(xì)胞墨水和無細(xì)胞墨水都遵循冪律粘度模型，流動指數(shù)接近0。對于本研究中合成的生物墨水和無細(xì)胞墨水，CNC的加入都導(dǎo)致了比剪切損失模量更高的剪切儲存模量(圖2C，D)，這表明在低剪切應(yīng)變下，這兩種類型的墨水都具有類似固體的行為，也就是允許保持形狀。這種形狀保持性允許細(xì)胞墨水和無細(xì)胞墨水在氮氣環(huán)境下用紫外光進(jìn)行光固化時保持形狀，從而分別形成ELMS和無細(xì)胞水凝膠。

圖2.CNC對ELMs和無細(xì)胞油墨可印染性的影響。

圖3.不同濃度的CNC對機(jī)械性能和形狀變化的影響。

基因工程ELMs的制備
益生菌的基因工程可以人為編程嵌入菌株增殖所需的條件，從而改變復(fù)合物的形狀。本文利用了一系列布氏鏈球菌營養(yǎng)缺陷型突變體(LEU2、URA3、TRP1和HIS3)，這些突變體以前通過成簇的重復(fù)-Cas9基因組編輯系統(tǒng)進(jìn)行了基因修飾(圖4A)，并且每個使用的突變體都缺乏L-亮氨酸、尿嘧啶、L-色氨酸或L-組氨酸的合成。因此，除非生長環(huán)境中存在特定的氨基酸或核苷酸，否則每個突變體的增殖都是微乎其微的。在含有缺乏相應(yīng)氨基酸或核苷酸的合成培養(yǎng)基瓊脂的培養(yǎng)皿中生長后，確認(rèn)每個突變體都屬于營養(yǎng)缺陷型(圖4B)。

圖4.工程益生菌可以形成ELMs。

多益生菌變形的ELMs的原理
直接墨水打印允許不同的益生菌突變體在單個ELM結(jié)構(gòu)中的不同的空間分布。只有當(dāng)適當(dāng)?shù)纳�化刺激出現(xiàn)時，結(jié)構(gòu)的中的特定區(qū)域才會生長。本文印刷了含有兩個基因工程布氏鏈球菌突變體(TRP1，URA3)的ELMs雙層，每層含有一個突變體(圖5A)。由于存在突變體S.boulardii-TRP1的未生長層和S.boulardii-URA3的生長層之間的不匹配應(yīng)變，雙層結(jié)構(gòu)發(fā)生曲率的變化。

圖5.4D可連續(xù)改變形狀的打印ELMs。

圖6.4D可多次變形的打印ELMs。

3D打印變形給藥ELMs
在確定本文的方法可以制造4D打印的ELMs后，本文假設(shè)可以利用這種形狀變化來制造醫(yī)用膠囊，這些ELM可以通過編程方式改變形狀來對特定的生化刺激做出反應(yīng)。本文制作了一個模型藥物輸送裝置，方法是在膠囊的底部印刷一個Elm S.boulardii-TRP1突變體，在膠囊的主體和蓋子中印刷無細(xì)胞材料(圖7A)。這些膠囊的制造尺寸與普通口服藥物相似，并且是中空的，可以作為不能通過水凝膠擴(kuò)散的藥物的臨時儲存庫。本文制作了這個膠囊，并且讓其在37°C的合成完整培養(yǎng)基中生長，以記錄它們的形狀變化和藥物釋放模型隨時間的變化。由于膠囊的底部的無細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生了收縮，所以在12至24小時或24至36小時的時間點之間，底部膨脹并最終破裂。具有代表性的膠囊的形狀變化和破裂的演變?nèi)鐖D7B所示。這種破裂被觀察到是在本文有意制造的弱點附近開始的，這使得模型藥物可以從臨時儲存庫中釋放出來。

圖7.4D打印ELM給藥裝置。

小結(jié):本文演示了4D打印的ELM，這些ELM在生物化學(xué)環(huán)境中變形可以人為控制，以響應(yīng)特定生物化學(xué)物質(zhì)。流變改進(jìn)劑CNC用于調(diào)節(jié)生物墨水和無細(xì)胞墨水的粘度，這些墨水可用于直接打印不同結(jié)構(gòu)。本文利用同一結(jié)構(gòu)內(nèi)的一種或兩種生物墨水的多材料4D打印技術(shù)，在空間上實現(xiàn)了酵母的濃度的控制。這種方法使被包裹的酵母的DNA能夠發(fā)出誘導(dǎo)變形所需的刺激信號。ELM與大多數(shù)普通的變形材料完全不同，因為ELM的合成聚合物中的物理變化是由熱、光、溶劑或其他刺激驅(qū)動的。因此，這種方法可能使新型生物響應(yīng)性醫(yī)療設(shè)備成為可能。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106843