微生物的可控和生物相容性生物3D打印技術(shù)：基礎(chǔ)、環(huán)境應(yīng)用和挑戰(zhàn)
時(shí)間：2023-11-22 09:09 來(lái)源：GK綠鑰生物科技 作者：admin 閱讀：次
天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙迎新副教授團(tuán)隊(duì)在《Biotechnology Advances》期刊發(fā)表綜述“Controllable and
biocompatible 3D bioprinting technology for microorganisms: Fundamental,
environmental applications and
challenges”文章簡(jiǎn)要介紹了微生物3D打印的原理和環(huán)境應(yīng)用，系統(tǒng)總結(jié)了微生物3D打印的潛在方法和可行性，描述了結(jié)合3D打印性和微生物親和力的生物墨水的優(yōu)化選擇，分析了微生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。
生物3D打印是一種新的3D制造技術(shù)，可用于精確分布和負(fù)載微生物，形成具有多種復(fù)雜功能的微生物活性材料。本文系統(tǒng)分析了生物3D打印的基本技術(shù)原理、生物墨水材料及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，并提出了生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和未來(lái)展望。結(jié)合目前微生物增強(qiáng)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展，生物3D打印將發(fā)展成為多功能微生物的使能平臺(tái)，并促進(jìn)對(duì)原位定向反應(yīng)的更大控制。
由于細(xì)菌對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性以及多樣化的代謝活動(dòng)，可以在各種惡劣的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)。各種細(xì)菌在特定環(huán)境中可以形成穩(wěn)定的菌落結(jié)構(gòu)。然而，微生物在環(huán)境生存中也面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，懸浮微生物的損失、各種不利因素的影響、環(huán)境溫度的變化等，都會(huì)導(dǎo)致生物處理效率下降甚至系統(tǒng)崩潰。在極端情況下，如何保護(hù)和回收微生物已成為微生物領(lǐng)域中一個(gè)重要的解決難題。水凝膠包埋可以通過(guò)使得微生物能維持礦化的優(yōu)勢(shì)物種，并使細(xì)菌對(duì)環(huán)境壓力源脫敏。最常見(jiàn)的水凝膠包埋技術(shù)是微球包埋。微球包埋的特點(diǎn)在于比表面積大、反應(yīng)效率高等。然而，該技術(shù)難以適應(yīng)水處理中惡劣的條件，無(wú)法以可靠或可重復(fù)的方式生產(chǎn)定制的材料結(jié)構(gòu)。生物3D打印作為一種增材制造工藝，也被公認(rèn)為是一種新型制造，生物3D打印技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了新的可能性。基于微球包埋技術(shù)以及其他領(lǐng)域的生物3D打印原理，進(jìn)一步發(fā)展為微生物的生物3D打印是可行的。利用新興的生物3D打印技術(shù)嵌入細(xì)菌，創(chuàng)造具有可控3D形狀、微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)代謝反應(yīng)的“活體材料”。
基于生物3D打印的優(yōu)勢(shì)，作者從四個(gè)方面分析了生物3D打印在微生物3D打印方面的可行性，包括：①微生物3D打印潛在技術(shù)及其可行性的系統(tǒng)分析;②優(yōu)化可打印性和微生物親和力相結(jié)合的生物墨水選擇;③微生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用;④以及微生物3D打印的挑戰(zhàn)。旨在為未來(lái)適應(yīng)環(huán)境修復(fù)的生物3D打印技術(shù)研究提供指導(dǎo)和思路。
首先，作者進(jìn)行了微生物3D打印的潛在技術(shù)及可行性分析。作者列舉了三種生物3D打印方式進(jìn)行說(shuō)明；
作者對(duì)圖1三種打印技術(shù)分別做了相關(guān)分析：基于激光的3D生物打印技術(shù)（LBB）是能夠做到精確定位打印的，這種打印方式存在很多的優(yōu)點(diǎn)：它能夠以高分辨率（< 10 μm）定位小至幾百微升的細(xì)胞懸液，從而可以打印高細(xì)胞密度的生物材料（高達(dá)1×108cells/mL）和具有中等粘度（<300 mPa/s）的水凝膠前體。此外，無(wú)噴嘴、非接觸式工藝、高活性（95%）和高分辨率細(xì)胞打印、墨滴控制和精確輸送的特點(diǎn)使該工藝有望應(yīng)用。同時(shí)也存在有一定的缺點(diǎn)，例如LBB所需的感光高分子材料價(jià)格昂貴，單次打印的材料利用率不如噴嘴打印高，表明其在控制成本方面競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。
基于噴墨的3D生物打印（IBB）也是組織工程中經(jīng)常使用的一種生物打印方法。IBB最重要的優(yōu)勢(shì)之一是其相對(duì)較高的打印分辨率（30–100 μm），這種打印方法具有較好的可操作性和一定的梯度打印能力。同時(shí)，IBB具有極高的打印速度（約1-10,000滴/秒，與普通字符噴墨打印機(jī)相似）。但由于微流控原理的局限性，應(yīng)用于IBB技術(shù)的生物墨水需要極低的粘度（3–12 mPa/s）和細(xì)胞濃度（106cells/ml），以及打印結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和強(qiáng)度差的問(wèn)題，從而阻止了具有特定三維結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜樣品的構(gòu)建，除上述缺點(diǎn)外，造成這種情況的主要原因是該技術(shù)對(duì)微生物造成的嚴(yán)重?zé)釗p傷或機(jī)械損傷。
基于擠出的生物3D打印（EBB）因其獨(dú)特的梯度打印能力和廣泛的生物材料相容性而成為最有前途和應(yīng)用最廣泛的生物打印技術(shù)。其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)多通道擠出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的梯度打印能力，利用多通道打印能力，擠出式生物打印還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多細(xì)胞成分和多材料成分的精確控制，以構(gòu)建微生物群體感應(yīng)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，EBB具有良好的材料相容性和生物相容性，高度靈活的打印參數(shù)范圍，極高濃度的打印單元也是EBB技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。然而，打印精度受噴嘴（>100 μm）的影響很大，生物墨水在通過(guò)噴嘴擠出過(guò)程中的受到剪切效應(yīng)，細(xì)胞存活率低于其他方法。
隨后作者結(jié)合3D打印性和微生物親和力優(yōu)化生物墨水的選擇進(jìn)行相關(guān)研究。各種類型的生物墨水已被證明在打印組織工程細(xì)胞時(shí)有利于生物活性。因此，對(duì)于生命力旺盛、繁殖能力強(qiáng)的微生物，天然和合成高分子水凝膠等組織工程中常用的生物墨水非常適合微生物的生物打印。作者先后總結(jié)了天然水凝膠中的殼聚糖、海藻酸鈉、透明質(zhì)酸、膠原蛋白、明膠、絲蛋白、合成聚合物水凝膠、聚丙烯酸、聚乙烯醇等水凝膠做了優(yōu)缺點(diǎn)的相關(guān)介紹和在3D生物打印中的應(yīng)用。
作者提出了關(guān)于多網(wǎng)絡(luò)水凝膠的相關(guān)研究。單一成分水凝膠的關(guān)鍵問(wèn)題是，單一結(jié)構(gòu)通常不能同時(shí)具有3D打印過(guò)程所需的物理化學(xué)性質(zhì)和封裝生物體所需的生化性質(zhì)，這通常是相互排斥的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)研究了幾種具有代表性的方法，例如雙網(wǎng)絡(luò)，大分子微球復(fù)合材料，滑環(huán)和納米復(fù)合材料，以改善凝膠的機(jī)械性能，同時(shí)確保良好的生物適應(yīng)性。在這些材料中，雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠是當(dāng)前研究的重要熱點(diǎn)和趨勢(shì)。
作者還做了生物3D打印技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用與展望。詳細(xì)地從有效去除難降解有機(jī)污染物、微生物電化學(xué)、用于制造生物膜材料的模具、生物催化劑制備、生物4D打印等幾個(gè)方面說(shuō)明了生物3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)也列舉了以上相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)打印技術(shù)和生物墨水，對(duì)相關(guān)參數(shù)也列舉了一些表格，詳細(xì)數(shù)據(jù)請(qǐng)查閱原文。
最后，作者指出隨著微生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的快速發(fā)展和3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，生物3D打印技術(shù)已成為一種新興的、有前途的技術(shù)。然而，由于該技術(shù)仍處于探索階段，因此存在一些重要的挑戰(zhàn)。例如本綜述中提到在生物墨水的優(yōu)化與創(chuàng)新、促進(jìn)工程菌的廣泛應(yīng)用、 4D打印的研究與開(kāi)發(fā)等等。
總結(jié)：生物3D打印技術(shù)通過(guò)開(kāi)發(fā)適合不同微生物生存和繁殖的生物墨水基質(zhì)，使多種微生物在同一打印體中共存。具有任意復(fù)雜形狀的多材料3D打印技術(shù)，加上微生物代謝反應(yīng)的多樣性，使得以可控的方式制造具有前所未有的功能的細(xì)菌生物材料成為可能。生物3D打印已成功應(yīng)用于有機(jī)污染物去除、微生物電極、生物膜制造和生物催化劑制備。特定生物墨水的選擇和優(yōu)化，工程細(xì)菌應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展以及具有時(shí)間維度的4D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使生物3D打印具有廣闊的應(yīng)用前景。
文章來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2023.108243
生物3D打印是一種新的3D制造技術(shù)，可用于精確分布和負(fù)載微生物，形成具有多種復(fù)雜功能的微生物活性材料。本文系統(tǒng)分析了生物3D打印的基本技術(shù)原理、生物墨水材料及其在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，并提出了生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和未來(lái)展望。結(jié)合目前微生物增強(qiáng)技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展，生物3D打印將發(fā)展成為多功能微生物的使能平臺(tái)，并促進(jìn)對(duì)原位定向反應(yīng)的更大控制。
由于細(xì)菌對(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性以及多樣化的代謝活動(dòng)，可以在各種惡劣的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)。各種細(xì)菌在特定環(huán)境中可以形成穩(wěn)定的菌落結(jié)構(gòu)。然而，微生物在環(huán)境生存中也面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，懸浮微生物的損失、各種不利因素的影響、環(huán)境溫度的變化等，都會(huì)導(dǎo)致生物處理效率下降甚至系統(tǒng)崩潰。在極端情況下，如何保護(hù)和回收微生物已成為微生物領(lǐng)域中一個(gè)重要的解決難題。水凝膠包埋可以通過(guò)使得微生物能維持礦化的優(yōu)勢(shì)物種，并使細(xì)菌對(duì)環(huán)境壓力源脫敏。最常見(jiàn)的水凝膠包埋技術(shù)是微球包埋。微球包埋的特點(diǎn)在于比表面積大、反應(yīng)效率高等。然而，該技術(shù)難以適應(yīng)水處理中惡劣的條件，無(wú)法以可靠或可重復(fù)的方式生產(chǎn)定制的材料結(jié)構(gòu)。生物3D打印作為一種增材制造工藝，也被公認(rèn)為是一種新型制造，生物3D打印技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了新的可能性。基于微球包埋技術(shù)以及其他領(lǐng)域的生物3D打印原理，進(jìn)一步發(fā)展為微生物的生物3D打印是可行的。利用新興的生物3D打印技術(shù)嵌入細(xì)菌，創(chuàng)造具有可控3D形狀、微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)代謝反應(yīng)的“活體材料”。
基于生物3D打印的優(yōu)勢(shì)，作者從四個(gè)方面分析了生物3D打印在微生物3D打印方面的可行性，包括：①微生物3D打印潛在技術(shù)及其可行性的系統(tǒng)分析;②優(yōu)化可打印性和微生物親和力相結(jié)合的生物墨水選擇;③微生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用;④以及微生物3D打印的挑戰(zhàn)。旨在為未來(lái)適應(yīng)環(huán)境修復(fù)的生物3D打印技術(shù)研究提供指導(dǎo)和思路。
首先，作者進(jìn)行了微生物3D打印的潛在技術(shù)及可行性分析。作者列舉了三種生物3D打印方式進(jìn)行說(shuō)明；
圖1 三種3D生物打印技術(shù)示意圖：（a） 激光式生物打印;（b）噴墨式生物打印;（c）擠出式生物打印
作者對(duì)圖1三種打印技術(shù)分別做了相關(guān)分析：基于激光的3D生物打印技術(shù)（LBB）是能夠做到精確定位打印的，這種打印方式存在很多的優(yōu)點(diǎn)：它能夠以高分辨率（< 10 μm）定位小至幾百微升的細(xì)胞懸液，從而可以打印高細(xì)胞密度的生物材料（高達(dá)1×108cells/mL）和具有中等粘度（<300 mPa/s）的水凝膠前體。此外，無(wú)噴嘴、非接觸式工藝、高活性（95%）和高分辨率細(xì)胞打印、墨滴控制和精確輸送的特點(diǎn)使該工藝有望應(yīng)用。同時(shí)也存在有一定的缺點(diǎn)，例如LBB所需的感光高分子材料價(jià)格昂貴，單次打印的材料利用率不如噴嘴打印高，表明其在控制成本方面競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。
基于噴墨的3D生物打印（IBB）也是組織工程中經(jīng)常使用的一種生物打印方法。IBB最重要的優(yōu)勢(shì)之一是其相對(duì)較高的打印分辨率（30–100 μm），這種打印方法具有較好的可操作性和一定的梯度打印能力。同時(shí)，IBB具有極高的打印速度（約1-10,000滴/秒，與普通字符噴墨打印機(jī)相似）。但由于微流控原理的局限性，應(yīng)用于IBB技術(shù)的生物墨水需要極低的粘度（3–12 mPa/s）和細(xì)胞濃度（106cells/ml），以及打印結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和強(qiáng)度差的問(wèn)題，從而阻止了具有特定三維結(jié)構(gòu)的更復(fù)雜樣品的構(gòu)建，除上述缺點(diǎn)外，造成這種情況的主要原因是該技術(shù)對(duì)微生物造成的嚴(yán)重?zé)釗p傷或機(jī)械損傷。
基于擠出的生物3D打印（EBB）因其獨(dú)特的梯度打印能力和廣泛的生物材料相容性而成為最有前途和應(yīng)用最廣泛的生物打印技術(shù)。其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)多通道擠出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的梯度打印能力，利用多通道打印能力，擠出式生物打印還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多細(xì)胞成分和多材料成分的精確控制，以構(gòu)建微生物群體感應(yīng)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，EBB具有良好的材料相容性和生物相容性，高度靈活的打印參數(shù)范圍，極高濃度的打印單元也是EBB技術(shù)的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。然而，打印精度受噴嘴（>100 μm）的影響很大，生物墨水在通過(guò)噴嘴擠出過(guò)程中的受到剪切效應(yīng)，細(xì)胞存活率低于其他方法。
隨后作者結(jié)合3D打印性和微生物親和力優(yōu)化生物墨水的選擇進(jìn)行相關(guān)研究。各種類型的生物墨水已被證明在打印組織工程細(xì)胞時(shí)有利于生物活性。因此，對(duì)于生命力旺盛、繁殖能力強(qiáng)的微生物，天然和合成高分子水凝膠等組織工程中常用的生物墨水非常適合微生物的生物打印。作者先后總結(jié)了天然水凝膠中的殼聚糖、海藻酸鈉、透明質(zhì)酸、膠原蛋白、明膠、絲蛋白、合成聚合物水凝膠、聚丙烯酸、聚乙烯醇等水凝膠做了優(yōu)缺點(diǎn)的相關(guān)介紹和在3D生物打印中的應(yīng)用。
圖2 雙網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)理
作者提出了關(guān)于多網(wǎng)絡(luò)水凝膠的相關(guān)研究。單一成分水凝膠的關(guān)鍵問(wèn)題是，單一結(jié)構(gòu)通常不能同時(shí)具有3D打印過(guò)程所需的物理化學(xué)性質(zhì)和封裝生物體所需的生化性質(zhì)，這通常是相互排斥的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)研究了幾種具有代表性的方法，例如雙網(wǎng)絡(luò)，大分子微球復(fù)合材料，滑環(huán)和納米復(fù)合材料，以改善凝膠的機(jī)械性能，同時(shí)確保良好的生物適應(yīng)性。在這些材料中，雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠是當(dāng)前研究的重要熱點(diǎn)和趨勢(shì)。
圖3 常見(jiàn)生物墨水的結(jié)構(gòu)（a）殼聚糖;（b）海藻酸鈉;（c）透明質(zhì)酸;（d）膠原蛋白;（e）明膠;（f）聚丙烯酸;（g）聚乙烯醇
圖4 基于3D生物打印的自養(yǎng)反硝化與異養(yǎng)反硝化過(guò)程的耦合示意圖
圖5 微生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用：（a）清除污染物;（b）微生物電化學(xué);（c）用于制造生物膜材料的模具;（d） 生物催化劑的制備;（e）4D孢子生物打印
圖6 微生物3D打印在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用研究實(shí)物圖
圖7 生物3D打印的優(yōu)化方法示意圖
作者還做了生物3D打印技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用與展望。詳細(xì)地從有效去除難降解有機(jī)污染物、微生物電化學(xué)、用于制造生物膜材料的模具、生物催化劑制備、生物4D打印等幾個(gè)方面說(shuō)明了生物3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)也列舉了以上相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)打印技術(shù)和生物墨水，對(duì)相關(guān)參數(shù)也列舉了一些表格，詳細(xì)數(shù)據(jù)請(qǐng)查閱原文。
最后，作者指出隨著微生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的快速發(fā)展和3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，生物3D打印技術(shù)已成為一種新興的、有前途的技術(shù)。然而，由于該技術(shù)仍處于探索階段，因此存在一些重要的挑戰(zhàn)。例如本綜述中提到在生物墨水的優(yōu)化與創(chuàng)新、促進(jìn)工程菌的廣泛應(yīng)用、 4D打印的研究與開(kāi)發(fā)等等。
總結(jié)：生物3D打印技術(shù)通過(guò)開(kāi)發(fā)適合不同微生物生存和繁殖的生物墨水基質(zhì)，使多種微生物在同一打印體中共存。具有任意復(fù)雜形狀的多材料3D打印技術(shù)，加上微生物代謝反應(yīng)的多樣性，使得以可控的方式制造具有前所未有的功能的細(xì)菌生物材料成為可能。生物3D打印已成功應(yīng)用于有機(jī)污染物去除、微生物電極、生物膜制造和生物催化劑制備。特定生物墨水的選擇和優(yōu)化，工程細(xì)菌應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展以及具有時(shí)間維度的4D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使生物3D打印具有廣闊的應(yīng)用前景。
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