南京工業(yè)大學(xué)余子夷CEJ：釀酒酵母能打��？利用新的生物墨水構(gòu)建催化活體材料

來源：EngineeringForLife


生物3D打印是通過增材制造的方式將生物材料、細(xì)胞和其他組分構(gòu)建成復(fù)雜的三維活性組織的一種先進制造方式。相比于傳統(tǒng)方法，生物3D打印可以精確控制目標(biāo)物體的形狀、結(jié)構(gòu)及細(xì)胞在空間中的位置和相互作用，更好的模擬組織或器官的生理結(jié)構(gòu)及功能，實現(xiàn)活性組織的定制化設(shè)計，被視為廣泛應(yīng)用于組織工程、器官再生的新興技術(shù)。近些年來，微生物工程用于生產(chǎn)各種不同應(yīng)用的材料已取得一定成果，但以任意模式和形狀來構(gòu)建三維活體功能結(jié)構(gòu)仍是很大的挑戰(zhàn)。因此，結(jié)合生物3D打印技術(shù)構(gòu)建含有微生物的功能性“活體”材料為其開辟了新的空間。通過精確操縱構(gòu)建具有功能性和可編程性的微生物功能材料，不僅能夠優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，加強對微生物種群3D結(jié)構(gòu)的控制，而且可以改善系統(tǒng)的整體性能，實現(xiàn)更復(fù)雜，可擴展的功能結(jié)構(gòu)，進一步擴大了綠色生物制造的應(yīng)用場景。
  

圖1 顆粒凝膠作為生物墨水的3D打印示意圖

最近，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團隊在Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Biocatalytic living materials built by compartmentalized microorganisms in annealable granular hydrogels”的研究論文，報告了一種利用釀酒酵母作為功能活性物質(zhì)，采用顆粒凝膠對其進行負(fù)載的進行生物3D打印體系。這類新的生物墨水構(gòu)建活體材料分為三個階段（圖1）：首先是設(shè)計和發(fā)展一種微流控技術(shù)手段，實現(xiàn)負(fù)載釀酒酵母的顆粒凝膠制備；再利用擠出式生物3D打印設(shè)備（EFL團隊提供）構(gòu)建納-微兩級的多孔支架結(jié)構(gòu)；最后通過鈣離子交聯(lián)形成退火的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在釀酒酵母代謝層面考察活體材料的催化性能。在這項工作中，通過對釀酒酵母的3D生物打印，證實了顆粒凝膠生物墨水構(gòu)建可控生物活體材料的能力，提高了微生物的催化效率，顯示了生物活體材料在未來變革性技術(shù)領(lǐng)域的潛力。

圖2 顆粒凝膠的制備和流變表征

在這項工作中，研究者們首先探究了如何采用顆粒凝膠負(fù)載釀酒酵母顆粒凝膠的過程。在這一過程中，先合成了巰基化海藻酸鈉和超支化聚乙二醇二丙烯酸酯，再采用流動聚焦微流控裝置制備了以這兩種高分子為主要組分的微液滴，基于邁克爾加成反應(yīng)形成了分子間共價鍵，實現(xiàn)了釀酒酵母細(xì)胞的固定。

負(fù)載酵母細(xì)胞的顆粒凝膠在“阻塞”狀態(tài)下具有明顯的剪切稀化特性，在剪切過程中表現(xiàn)出類似液體的流動能力，可作為新型的生物墨水進行3D打印。通過循環(huán)掃描應(yīng)變實驗可以看出，顆粒凝膠通過一系列高和低應(yīng)變測試，展示了動態(tài)應(yīng)變中從類固體（G'>G''）到類流體（G'

圖3 “阻塞”顆粒凝膠的3D打印

圖3的實驗結(jié)果證實了顆粒凝膠具有良好的可打印性，擠出后的顆粒凝膠呈現(xiàn)緊密堆積形態(tài)。通過鈣離子介導(dǎo)的二次交聯(lián)使顆粒凝膠間能夠連接形成整體結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。顆粒凝膠成功打印出完整的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具有良好的支撐性和多孔結(jié)構(gòu)。通過掃描電子顯微鏡和共聚焦顯微鏡對其形態(tài)進行表征，可以看出顆粒凝膠支架展現(xiàn)了良好的分級多孔結(jié)構(gòu)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和細(xì)胞生長。

圖4 顆粒凝膠支架的生物催化測定

進一步，研究人員基于釀酒酵母細(xì)胞的代謝過程，考察了活體材料中的細(xì)胞活性，探究了負(fù)載酵母細(xì)胞的塊狀凝膠與網(wǎng)格凝膠的發(fā)酵效果。如圖4所示，通過12 h的孵育，多孔網(wǎng)格顯示出酵母細(xì)胞的生長和增殖，具有良好的生物相容性。釀酒酵母的代謝結(jié)果表明，與塊狀凝膠相比，3D多孔網(wǎng)格中的酵母產(chǎn)生的乙醇增加了1.5倍，具有更高的催化效率和可重復(fù)使用性，解決傳統(tǒng)塊狀凝膠傳質(zhì)不充分的問題，優(yōu)化了生物反應(yīng)器的傳質(zhì)特性，實現(xiàn)了生物催化過程的強化。

綜上所述，該工作利用液滴微流控技術(shù)制備了可固定釀酒酵母細(xì)胞的顆粒凝膠，通過與擠出式3D打印技術(shù)相結(jié)合，能夠調(diào)整菌株的空間配置，不需要對微生物進行限制，具有很強的兼容性，實現(xiàn)了多孔微載體制備和可控支架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，為生產(chǎn)基于微生物的功能材料提供新的途徑，并在生物修復(fù)、生物傳感應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFC2104300）、國家自然科學(xué)基金（21901117，32111530117）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20190674）和材料化學(xué)工程國家重點實驗室基金（KL20-02）的支持。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136822