1. 介紹

工程化活體材料（ELMs）是將活細(xì)胞與非活基質(zhì)結(jié)合形成的生物混合系統(tǒng)，具有可編程功能性。這些材料利用合成生物學(xué)技術(shù)使細(xì)胞執(zhí)行用戶定義的任務(wù)，如環(huán)境感應(yīng)、高價值化合物生產(chǎn)等。然而，要充分發(fā)揮ELMs的潛力，需要將其與能夠處理和轉(zhuǎn)化這些材料的制造技術(shù)相結(jié)合。生物3D打印技術(shù)通過逐層沉積含有活細(xì)胞的生物墨水來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，同時保持細(xì)胞活性，為ELMs提供了一個有前景的制造平臺。文章強(qiáng)調(diào)了將生物3D打印與ELMs結(jié)合的潛力，這種結(jié)合不僅利用了3D打印結(jié)構(gòu)的幾何功能性，還利用了ELMs的遺傳可編程性，將這些材料轉(zhuǎn)化為實(shí)用產(chǎn)品和工程解決方案。

圖1 用于制造ELM 3D結(jié)構(gòu)的3D打印模式

2. 生物3D打印技術(shù)

作者首先展示了用于制造工程化活體材料（ELMs）的四種3D打印模態(tài)：基于擠出的3D打印、在支撐浴中嵌入式3D打印、基于光的3D打印和體積3D打印。

基于擠出的3D打?。和ㄟ^噴嘴逐層擠出生物墨水絲來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，通常需要后處理交聯(lián)來穩(wěn)定打印結(jié)構(gòu)。

嵌入式3D打?。涸谥卧≈袆t將生物墨水打印到屈服應(yīng)力介質(zhì)中，該介質(zhì)在打印過程中臨時支撐結(jié)構(gòu)，直到后處理交聯(lián)，降低了對生物墨水流變性能的要求。

基于光的3D打印（如數(shù)字光處理，DLP）：利用圖案化光選擇性交聯(lián)光敏生物墨水，逐層構(gòu)建細(xì)胞封裝的3D結(jié)構(gòu)，具有高通量和高分辨率，但需要低粘度的光交聯(lián)生物墨水。

體積3D打?。和ㄟ^光學(xué)層析投影同時產(chǎn)生整個3D對象，具有快速打印和無需支撐結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，但需要透明、大量生物墨水，限制了其在高成本材料或大型結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。

圖2 基于擠出的生物3D打印

接著展示了基于擠出的生物3D打印機(jī)的生物墨水特性及其對打印過程的影響。圖中對比了凝膠相生物墨水和液相生物墨水，凝膠相生物墨水具有剪切變稀和自修復(fù)特性，這對于實(shí)現(xiàn)高分辨率和高保真度的3D打印至關(guān)重要。剪切變稀行為使生物墨水在受到應(yīng)力時從類固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，便于擠出；而自修復(fù)行為則使其在擠出后恢復(fù)類固態(tài)，防止擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)高打印保真度。圖中還展示了生物墨水在振蕩應(yīng)變掃描下的流變特性，以及在低應(yīng)變下表現(xiàn)出類固態(tài)、在高應(yīng)變下轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的特性。此外，圖中介紹了通用生物墨水平臺的概念，例如互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)生物墨水和通用臨時網(wǎng)絡(luò)生物墨水。

圖3 生物制造窗口的概念

“生物制造窗口”的概念強(qiáng)調(diào)了在生物3D打印中，生物墨水的流變特性需要在3D可打印性和細(xì)胞兼容性之間找到一個平衡點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)3D打印，生物墨水必須具有足夠的粘度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以形成連續(xù)的絲狀結(jié)構(gòu)并保持其形狀的完整性。然而，為了確保細(xì)胞的活性和功能，生物墨水還需要為細(xì)胞提供一個適宜的生長環(huán)境，避免因過高的粘度或聚合物密度而限制細(xì)胞的增殖和代謝。這兩個相互矛盾的要求之間的平衡點(diǎn)被稱為“生物制造窗口”，它是實(shí)現(xiàn)高保真度打印和細(xì)胞活性的關(guān)鍵。

圖4 在支撐槽中嵌入生物3D打印

在支撐浴中嵌入式3D打印技術(shù)用于制造工程化活體材料（ELMs）的過程如圖1所示。圖中展示了用于支撐浴的聚四氟乙烯（PTFE）微粒，這些微粒具有空氣透過性，支持氧氣依賴的細(xì)胞生長。通過嵌入式3D打印技術(shù)，利用空氣透過性微?；|(zhì)作為支撐介質(zhì)，可以制造出復(fù)雜的細(xì)菌纖維素（BC）結(jié)構(gòu)。

圖5 ELM的數(shù)字光處理生物3D打印

然后展示了數(shù)字光處理（DLP）生物3D打印技術(shù)在制造工程化活體材料（ELMs）中的應(yīng)用。圖中使用DLP技術(shù)打印的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中封裝了表達(dá)綠色熒光蛋白（GFP）和紅色熒光蛋白（mCherry）的大腸桿菌。DLP技術(shù)可以同時封裝多種細(xì)胞類型，并且通過不同分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作為水凝膠基質(zhì)，可以調(diào)控細(xì)胞的生長和分布。

圖6 體積生物3D打印

體積生物3D打?。╒BP）技術(shù)及其在制造工程化活體材料（ELMs）中的應(yīng)用如圖所示。圖中展示了將順序嵌入式打印與體積打印相結(jié)合的過程，利用光學(xué)層析投影同時產(chǎn)生整個3D對象。這種技術(shù)允許在體積打印形成的3D對象內(nèi)封裝通過擠出式生物打印制造的3D結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)多材料結(jié)構(gòu)的制造。

圖7 用于工程活體結(jié)構(gòu)生物3D打印的合成生物學(xué)

3. 當(dāng)前挑戰(zhàn)和潛在機(jī)遇

作者展示了合成生物學(xué)在生物3D打印工程化活體材料（ELMs）中的應(yīng)用。圖中展示了通過基因工程改造的微生物細(xì)胞分泌的CsgA融合蛋白和TasA淀粉樣蛋白融合蛋白，這些蛋白可以自組裝成具有剪切變稀特性的纖維網(wǎng)絡(luò)，形成適合3D打印的生物墨水。

圖8 3D打印活體結(jié)構(gòu)的后打印生長

圖8展示了3D打印的活體菌絲結(jié)構(gòu)在打印后通過菌絲生長進(jìn)行結(jié)構(gòu)演化和功能增強(qiáng)的過程。展示了菌絲在打印結(jié)構(gòu)中的生長過程，以及菌絲在結(jié)構(gòu)受損后的自愈能力。隨著時間的推移，菌絲在結(jié)構(gòu)內(nèi)部生長，填充空隙并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能。

圖9 4D打印

4D打印技術(shù)，即利用形狀記憶材料或刺激響應(yīng)性材料制造能夠在特定刺激下改變形狀的結(jié)構(gòu)。圖中展示了兩種4D打印方法：生物模擬4D打印和數(shù)字光4D打印。生物模擬4D打印通過擠出式3D打印制造雙層水凝膠結(jié)構(gòu)，利用各向異性的膨脹實(shí)現(xiàn)形狀轉(zhuǎn)換。數(shù)字光4D打印則通過數(shù)字光投影技術(shù)將3D目標(biāo)形狀轉(zhuǎn)換為2D平面，然后通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)形狀轉(zhuǎn)換。

圖10 形狀變形材料與ELM的生物3D打印集成

作者展示了將形狀變形材料與工程化活體材料（ELMs）的生物3D打印相結(jié)合的概念。圖中展示了由酵母細(xì)胞增殖引起的ELM體積膨脹，以及通過空間控制細(xì)胞增殖實(shí)現(xiàn)的形狀變形。通過使用圖案化的紫外線（UV）光照射，可以選擇性地殺死細(xì)胞，從而在ELM中形成特定的生長區(qū)域，實(shí)現(xiàn)從平坦結(jié)構(gòu)到類似帽子的形狀變形。

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