3D 生物打印新突破!全新细菌“墨水”可呈现任何三维结构,有望用于皮肤移植

生物医学
3D 生物打印新突破!全新细菌“墨水”可呈现任何三维结构,有望用于皮肤移植
麻省理工科技评论 2017-12-07

2017-12-07

而今,来自苏黎世联邦理工学院的复合材料实验室负责人 André R. Studart 带领他的团队开发出内含不同种类细菌的 3D 打印“活”墨水。
3D打印 细菌
而今,来自苏黎世联邦理工学院的复合材料实验室负责人 André R. Studart 带领他的团队开发出内含不同种类细菌的 3D 打印“活”墨水。

如今提到 3D 打印并不稀奇,但所用的材料无非就是塑料或是金属粉末这一类冰冷坚硬无生命特征的“死”墨水,对于制造一些需要高强度的钢化材料,这类墨水无疑是再合适不过,但对于制造需要更多柔韧性的生物相容性材料(如皮肤移植物)来说就不那么合适了。而今,来自苏黎世联邦理工学院的复合材料实验室负责人André R. Studart带领他的团队开发出内含不同种类细菌的 3D 打印“活”墨水,根据所含细菌种类的不同,该 3D 打印的材料可被用于化学物质降解、器官移植等多个方面,且对环境和人体是完全安全无害的。该研究的细节发表在 12 月 1 日的 Science Advances 杂志上。

“由于我们所处的环境中有数不清的细菌种类,鉴于不同细菌的类型特点,未来使用这种‘活’墨水的 3D 打印将会有无数的可能和巨大的应用前景。”该项研究的作者之一 Patrick Rühs 说到。那么这种“活”墨水究竟特别在什么地方呢?Studart 团队给这种新 3D 打印墨水取名为“Flink”(functional living ink),意为功能性活墨水,墨水以具有生物相容性的水凝胶作为结构的主体成分,水凝胶又由透明质酸、长链糖分子及热解硅石组成,构成细菌存活的先决条件。同时凝胶中加有不同种类的细菌作为活体的主体,成为用于不同目的 Flink 墨水。

实验由两名团队成员 Patrick Rühs 和 Manuel Schaffner 共同完成,他们选取恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)和木醋杆菌(Acetobacter xylinum)作为墨水的活体主体。假单胞菌为直或稍弯的革兰氏阴性杆菌,多分布于土壤、水及植物体中,对有机物具有极强的分解能力,可以将多种有机物作为能量的来源,恶臭假单胞菌就是其中常见的一种,它可以用于降解在化工生产中常见的一类废弃物—苯酚。

木醋杆菌同样是一种革兰氏阴性菌,在自然界中,木醋杆菌合成纤维素的能力最强,目前,人类获得纤维素的途径主要通过树木、棉花等植物光合作用合成和微生物合成。为了区别于植物来源的纤维素,人们将微生物合成的纤维素称之为微生物纤维素(Microbial Cellulose)或细菌纤维素(Bacterial Cellulose,BC)。细菌纤维素作为一种新型生物合成可降解材料,具有独特的生物亲和性和较好的生物相容性,化学纯度高、持水能力强,纳米级直径但却具有比植物纤维更强的抗拉强度,这些都使细菌纤维素在生物医药方面如烧伤、缓解疼痛、皮肤移植及器官移植过程中具有无限的应用可能。

自然界里可以加以利用的细菌远不止这两种,那也意味着每增加对一种细菌特质的认识和了解,未来的应用就会增加更多的可能。但相对于发现新的细菌,如何给细菌提供一个完美的平台(载体)更为重要。作为载体的凝胶既不能太粘稠也不能太稀薄,如果过于粘稠,细菌的移动将受到限制,不能有效的产生目的产物(含有木醋杆菌的墨水在打印后的结构表面分泌细菌纤维素,它们通过分泌纤维素帮助自身移动);如果过于稀薄,打印出的 3D 结构将不足以维持自身形状。“墨水必须像牙膏一样具有黏性,也需要像护手霜一样的均一”,Schaffner 这样形容他们的配方。

事实上,寻找这种特殊 3D 打印材料的配方,Studart 教授实验组的研究人员可以算的上是经验丰富的行家了,他和他的跨学科团队曾开发了一种高孔隙率的陶瓷墨水,可以用来打印轻质骨状结构用于能源生产。目前细菌“活”墨水的研究仍旧处于初期阶段,但研究团队已在已有研究的基础上展示了其多种用途:在人偶面部打印 3D 轮廓,在平面上完成设定 3D 结构打印,未来该材料很可能用于烧伤患者的植皮手术及生物膜的合成中。同时,由于材料便宜易得,规模化培养细菌合成细菌墨水将会变得相当简单。但由于目前打印的结构都是厘米级的且速度缓慢,“如何扩大规模将是商业化的一个大前提”,来自德国维尔茨堡大学(University of Würzburg)的材料专家 Jürgen Groll 直指问题。不仅如此,细菌通常也需要几天的时间来分泌足够的目的产物。因此,下一步研究团队将从缩短打印时间及扩大产物生产入手,进一步完善细菌 3D 打印体系。

而对于细菌,Rühs 更是希望通过这项研究为其正名。“大多数人都把细菌看做是疾病的源头,事实上,如果没有细菌人类就无法生存”,肠道中无数的微生物构成了人体的稳态,而自然界里的微生物则保证了生态的循环平衡。如果不够热爱,那肯定是你对它还不够了解。不同的细菌具有不同的特质,如果人类加以合理的利用,便可以将其化“敌”为友,未来 Studart 团队将继续发掘细菌墨水的新配方,也许未来的某一天,当科学家们对这些可爱的小生物理解的足够深刻透彻时,我们才能更好的和它们融为一体。

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