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工程化活體材料與3D生物打印融合:現狀、挑戰與展望

時間:2025-04-30 10:54 來源:EFL生物3D打印與生物制造 作者:admin 閱讀:

        工程化活體材料(ELMs)是一類新興的生物雜交材料,具有基因可編程功能,在眾多領域展現出巨大的應用潛力。然而,要將其轉化為實際產品和工程解決方案,需要與制造技術有效整合,而目前在這一整合過程中面臨諸多挑戰,例如生物墨水設計困難,難以兼顧3D打印性和細胞兼容性,以及對ELMs中活細胞與非活基質之間相互作用的理解不足等問題。
      來自德克薩斯大學阿靈頓分校的Kyungsuk Yum教授團隊,綜述了3D生物打印的研究進展。他們探討了當前3D生物打印與ELMs交叉領域的發展狀況,涵蓋了多種3D生物打印方式在ELMs構建中的應用。團隊提出了在該領域未來發展的關鍵觀點,包括深入理解ELMs中活細胞與非活成分的相互作用以優化生物墨水設計、將合成生物學融入生物打印流程、利用微生物生長作為打印后制造工藝以及整合形狀變形材料實現ELMs的4D打印等。相關工作以 “Integrating Engineered Living Materials with 3D Bioprinting” 為題發表在《Advanced Functional Materials》上。 

 

      1. 3D生物打印工程化活體材料。圖1展示了用于制造工程化活體材料(ELMs)三維結構的四種3D打印方式,分別是擠出式3D打印、在支撐浴中嵌入式3D打印、數字光處理3D打印和體積3D打印,并對比了它們在打印過程、速度、分辨率、材料兼容性、優缺點等方面的差異。同時列舉了不同打印技術搭配的生物墨水、打印后交聯方式及微生物細胞實現的功能。
 

圖1. 用于制造ELMs三維結構的3D打印方式:呈現四種打印方式的示意圖,直觀展示各自的工作原理,如擠出式3D打印通過擠出生物墨水細絲逐層構建,嵌入式3D打印將生物墨水打印到支撐浴中等。


2. 擠出式3D生物打印。詳細介紹擠出式3D打印過程,包括生物墨水從噴嘴擠出、沉積形成結構,以及打印后交聯穩定結構。強調設計此類生物墨水面臨的挑戰,如平衡打印性與細胞兼容性的難題,引出具有剪切稀化和自愈合特性的凝膠相生物墨水這一解決方案,還介紹了通用生物墨水平臺等策略。
 

圖2. 擠出式3D打。簩Ρ饶z相和液相生物墨水,展示凝膠相生物墨水的剪切稀化(受應力時從固態轉變為液態便于擠出)和自愈合(擠出后恢復固態維持形狀)特性,以及使用通用易逝網絡生物墨水進行3D打印的流程。


3. 在支撐浴中嵌入式3D生物打印。闡述在支撐浴中嵌入式3D打印是制造ELMs的3D構建體的另一種選擇,它將生物墨水打印到屈服應力介質(支撐。┲校档土松锬牧髯儗W要求,利于制造復雜結構,還能通過移除打印細絲創建具有通道的結構,以木醋桿菌制造細菌纖維素結構為例說明。
 

圖4. 在支撐浴中嵌入式3D打印通過木醋桿菌原位生物合成細菌纖維素來制造細菌纖維素結構:展示支撐介質(聚四氟乙烯微粒)的微觀圖像、打印過程示意圖、打印的三維模型和實際結構,以及打印后細菌纖維素的形成和結構特點。


4. 基于光的3D生物打印。介紹數字光處理(DLP)3D生物打印技術,它利用圖案化光選擇性交聯光敏液體生物墨水,實現高通量和高分辨率打印,但對生物墨水要求高。展示了DLP打印構建ELMs的案例,如打印含大腸桿菌的結構及細胞在其中的生長情況。
 

圖5. ELMs的數字光處理3D生物打。撼尸F3D打印網格結構的圖像,以及表達綠色熒光蛋白(GFP)的大腸桿菌在不同水凝膠基質中隨時間的熒光強度變化數據,直觀反映打印結構和細胞生長狀況。


5. 體積3D生物打印。體積3D打印是新興的基于光的打印技術,能同時生成整個3D物體,具有快速、可擴展等優點,但需大量生物墨水。體積生物打。╒BP)在此基礎上發展而來,可與在支撐浴中嵌入式3D打印集成,制造多材料構建體。
 

圖6. 體積3D打。赫故卷樞驊腋≡〈蛴。ㄇ度胧酱蛴。┖腕w積打印的流程,以及多材料構建體的示意圖和實際打印構建體的圖像,呈現其制造過程和結構特點。


6. 3D打印活體構建體的打印后生長作為一種制造過程。以真菌菌絲體水凝膠的3D打印為例,說明將微生物生長納入3D生物打印后,打印構建體可隨時間生長和演化,菌絲生長能填充間隙、強化結構,還賦予構建體自我愈合能力。
 

圖8. 3D打印活體構建體的打印后生長:展示3D打印活體菌絲結構的生長策略(如根據營養狀況選擇不同生長模式)、不同生長天數的結構變化、橫截面圖像,以及菌絲自我愈合的顯微鏡圖像。


7. 形狀變形材料與ELMs的3D生物打印的整合。介紹將形狀變形材料與3D生物打印結合實現4D打印,可創建具有自適應和動態形態的活體構建體。展示了多種4D打印方法及在ELMs中的應用,如利用微生物細胞增殖實現形狀變形。
 

圖9. 4D打。赫故净跀D出的仿生4D打印原理(通過控制纖維素纖維排列實現各向異性膨脹和變形)及生成的復雜花狀形態,以及數字光4D打印通過2D材料編程實現3D成型的過程。

 

圖10. 將形狀變形材料與ELMs的3D生物打印相結合:使用ELMs中的微生物細胞作為驅動形狀轉變的活性成分進行4D打。撼尸F酵母細胞增殖誘導ELM體積膨脹和形狀變形的過程,以及多材料形狀變形ELM的打印和變形情況。


結論
本研究表明,工程化活體材料(ELMs)與3D生物打印的融合,能夠創造出具有定制幾何形狀和可編程功能的活體構建體,為3D打印帶來新的制造能力。二者的結合將ELMs的生物可編程性與3D打印結構的幾何驅動功能相結合,顯著拓展了技術應用范圍,推動“活體”增材制造范式的發展,使打印構建體能夠像生物有機體一樣,對外界環境做出生長或進化的反應。在生物醫學、環境和工業生物制造等領域,3D打印的ELMs已展現出增強的功能,顯示出巨大的應用潛力。然而,要實現其實際應用,仍需解決維持細胞活力和確保生物安全性等關鍵挑戰。未來,合成生物學、材料科學和3D生物打印領域的跨學科合作,對于克服這些挑戰、充分釋放3D打印ELMs的潛力至關重要 。

文章來源:

https://doi.org/10.1002/adfm.202500934


 

(責任編輯:admin)

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