Small南京工業(yè)大學(xué)余子夷/陳蘇：3D打印具有生物催化功能的活體材料

來源： EngineeringForLife  

活體材料（Living materials）是近幾年材料科學(xué)和生物學(xué)交叉融合領(lǐng)域被關(guān)注的重點。這類材料旨在挖掘生物細胞的功能性來實現(xiàn)傳統(tǒng)材料無法或者難以完成的任務(wù)，比如生物催化、生物修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等；同時基質(zhì)材料的加入（比如水凝膠材料或是其他無機雜化材料等）給細胞提供了一種固定化的策略，能夠穩(wěn)定生物過程和提高生物轉(zhuǎn)化效率，并實現(xiàn)材料的循環(huán)使用。然而，如何控制生物細胞的時空分布，最大化提高生物過程的效率依然是一個亟需解決的難題。

近期，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點實驗室的余子夷、陳蘇教授團隊在Small上發(fā)表題為“Dual-network reinforced bioinks for 3D printing of biocatalytic living materials”的研究論文，將一種新雙網(wǎng)絡(luò)高分子細胞載體用于微生物的固定化并用作生物墨水，利用生物3D打印設(shè)備（EFL團隊提供）制備具有生物催化功能的活體材料。該活體材料不僅可以強化微生物的化學(xué)品制造能力，還可以利用菌-藻共生的多細胞體系吸收空氣中的二氧化碳用于生物修復(fù)，對探索微生物固碳和實現(xiàn)碳中和目標提供了一個技術(shù)選擇。

該方法利用透明質(zhì)酸作為起始材料，對其進行了兩次化學(xué)修飾：一是半胱氨酸-苯丙氨酸二肽分子，二是甲基丙烯酸。利用葫蘆[8]脲（CB[8]）大環(huán)分子與二肽之間的主客體組裝，該材料先進行一次物理交聯(lián)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變成為粘彈性固體，并能夠被擠出式3D打印機加工成任意的三維結(jié)構(gòu)。當(dāng)材料成型之后，經(jīng)過紫外照射，引發(fā)碳碳雙鍵進行第二次交聯(lián)，材料的機械性能提升利用此方法，功能微生物得到了固定化；同時，3D打印帶來了材料更高的比表面積，提高了傳質(zhì)效率，從而增強了整個活體材料的生物催化效果。除此之外，利用3D打印技術(shù)可以在空間上調(diào)控細胞的分布，為研究微生物共生提供了一個有力的工具。

圖1 基于功能化的透明質(zhì)酸的雙交聯(lián)載體的設(shè)計

CB[8]大環(huán)能與二肽以1:2的比例主客體組裝，形成次級鍵，水凝膠物理交聯(lián)。第一層網(wǎng)絡(luò)形成后，該材料有良好的可打印性，適用于擠出式的3D打印技術(shù)。打印完成后再進行第二次光交聯(lián)，形成第二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高整個材料的穩(wěn)定性和機械性能。

圖2 活體材料的3D打印

流變測試顯示，二次交聯(lián)后，該材料的儲存模量增長了十倍以上，但臨界應(yīng)變從之前的200%降低到了100%。同時，釀酒酵母的加入對材料的流變性能沒有造成明顯的影響。循環(huán)應(yīng)變測試證明該材料有著良好的應(yīng)變回復(fù)性能，當(dāng)應(yīng)力撤去即材料脫離打印頭時，能夠快速回復(fù)到高彈性的狀態(tài)，有利于整個三維結(jié)構(gòu)的形成。最后，該材料還具有剪切稀化的性能，當(dāng)剪應(yīng)力增大時材料的粘度減小，有利于擠出成型。接下來，研究人員測試了該材料實際的3D打印性能，并且考察了整個過程對釀酒酵母細胞活性的影響。實驗表明酵母細胞在整個過程中維持了較高的活性（85%），說明該生物載體有著較好的生物相容性。

圖3 生物催化活體材料的發(fā)酵性能

研究人員探索了活體材料在生物催化上的應(yīng)用，即采用一個循環(huán)發(fā)酵的裝置，將3D打印出來的含有釀酒酵母的活體材料置于其中，控制其無氧條件，將葡萄糖催化轉(zhuǎn)化為乙醇。與大塊材料相比，3D打印的活體材料有著更高的催化效率。接下來考察了材料循環(huán)使用的能力。實驗結(jié)果顯示，材料在凍干之后30天后可以重新激活，依然維持90%左右的催化活性。研究人員也對比了兩種不同的材料保存方法，4度冰箱保存和凍干。盡管凍干方法會一定程度抑制生物催化活性，但是在多次循環(huán)發(fā)酵過程還能保持90%以上的催化效率。

圖4 多細胞生物活體材料用于二氧化碳固定和生物修復(fù)

最后該團隊探索了該材料在微生物共生上的應(yīng)用，以及其吸收二氧化碳和催化降解污染物的能力。研究人員利用相同的方法將枯草芽孢桿菌和小球藻組成的菌藻共生體系加工成了生物活體材料，并用其降解模擬廢水中的甲基橙和丙烯酰胺。實驗結(jié)果顯示，在24小時內(nèi)甲基橙降解效率達到了70%，丙烯酰胺降解了40%；在三天之內(nèi)，廢水中的有機物含量減少了90%。該研究證明了開發(fā)的活體材料在生物修復(fù)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。

綜上所述，該工作利用動態(tài)化學(xué)以及雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方法，成功開發(fā)了一種新的可打印的生物墨水，制造了在微尺度空間固定微生物和構(gòu)建多細胞共生的生物活體材料，實現(xiàn)了生物催化的強化。利用3D打印技術(shù)，提高了整個材料的傳質(zhì)效果，和傳統(tǒng)的大塊材料相比，顯著提高了材料的生物催化效果。同時，該材料還具有可循環(huán)性，并且在低溫或者凍干的保存條件下依然保持了良好的催化活性。這項工作為探索新的生物相容性良好的可打印生物墨水提供了一個新的突破。

相關(guān)研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃 “合成生物學(xué)”重點專項、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項目的資助。
文章來源：
https://doi.org/10.1002/smll.202104820