南京工業(yè)大學(xué)：3D打印具有生物催化功能的活體材料

來源： EngineeringForLife

微生物可以在生物材料與組織工程中與脫細(xì)胞成分協(xié)同工作，從而應(yīng)用到生物制造、生物修復(fù)或生物醫(yī)學(xué)工程中去。而生物3D打印可將微生物與水凝膠材料進(jìn)行融合，能夠控制細(xì)胞和化學(xué)成分的空間分布，且與傳統(tǒng)的液體培養(yǎng)相比，還提高了整體的生物催化性能。但如何將活性組分有效整合到強(qiáng)化水凝膠中并平衡其可打印性和生物相容性，構(gòu)建出利于細(xì)胞生存的微環(huán)境仍是一大挑戰(zhàn)。擠出式生物3D打印要求生物打印材料具有剪切變稀和應(yīng)變恢復(fù)性能并可交聯(lián)固化，而這些要求皆表明生物打印過程中的動態(tài)控制也是挑戰(zhàn)之一。因此迫切需要能夠創(chuàng)建具有明確3D形狀的定制活體材料的策略，特別是在構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)的同時改變其組成和功能特性。

來自南京工業(yè)大學(xué)的余子夷、陳蘇教授團(tuán)隊開發(fā)了一種具有生物催化功能的的活體材料，由雙網(wǎng)絡(luò)高分子和微生物細(xì)胞共同構(gòu)成，并可用作生物墨水，結(jié)合EFL擠出式生物3D打印機(jī)（EFL-BP-6602）進(jìn)行精確的生物3D打印制造，可為微生物提供良好的生存環(huán)境和理想的力學(xué)性能。通過將含微生物的水凝膠加載在擠出式生物3D打印設(shè)備中，可以直接打印具有高細(xì)胞活性的生物材料，并維持代謝活性，同時制備了一種細(xì)菌-藻類共培養(yǎng)系統(tǒng)，顯示了去除污染物進(jìn)行生物修復(fù)的可能性。相關(guān)研究“3D Printed Biocatalytic Living Materials with Dual-Network Reinforced Bioinks”發(fā)表于《small》雜志上。

在生物墨水的設(shè)計上，選用功能化后的多糖透明質(zhì)酸（HA）聚合物與葫蘆[8]脲 (CB[8])，將兩者預(yù)先混合，形成物理交聯(lián)的3D網(wǎng)絡(luò)超分子水凝膠，然后將超分子凝膠與微生物混合獲得可打印的生物墨水（圖1）。

圖1 基于功能化的透明質(zhì)酸的雙交聯(lián)載體設(shè)計

為測試生物墨水的可打印性能，研究人員評估了活性生物墨水的流變性能并對其進(jìn)行高振蕩應(yīng)變(500 %)和低振蕩應(yīng)變(1 %)的循環(huán)測試（圖2），結(jié)果表明該生物墨水具有良好的剪切變稀以及應(yīng)變恢復(fù)性能。

圖2 活體材料的3D打印

為驗證3D打印的雙網(wǎng)絡(luò)支架的應(yīng)用，設(shè)計并利用了一個酵母培養(yǎng)基循環(huán)裝置，以在酵母發(fā)酵過程中最大限度地提高乙醇生產(chǎn)率（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印晶格水凝膠的乙醇生產(chǎn)率明顯高于大塊水凝膠，表明3D打印的活體材料有著更高的催化效率。

圖3 生物催化活體材料的發(fā)酵性能

為拓展該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠生物墨水的應(yīng)用，設(shè)計了一個枯草桿菌-小球藻共培養(yǎng)系統(tǒng)（圖4），用以吸收二氧化碳和催化降解污染物，證明了開發(fā)的活體材料在生物修復(fù)領(lǐng)域有著重要價值。

圖4 多細(xì)胞生物活體材料用于二氧化碳固定和生物修復(fù)

綜上，該研究利用動態(tài)化學(xué)以及雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方法開發(fā)了一種具有良好的生物相容性和力學(xué)性能的生物墨水，并結(jié)合擠出式生物3D打印制造了在微尺度空間固定微生物和構(gòu)建多細(xì)胞共生的生物活體材料，實現(xiàn)了生物催化的強(qiáng)化。基于此研制的細(xì)菌-微藻共培養(yǎng)系統(tǒng)在化學(xué)物質(zhì)的生物降解方面具有廣闊的應(yīng)用前景。這項研究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。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/smll.202104820