供稿人：张倍宁、李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-03-04
为了能够生产广泛适用的生物混合材料，需要新的工具来提高可复制性、可扩展性和控制能力。麻省理工学院生物工程系提出了将计算设计、加法制造和合成生物学相结合的混合生物材料制造平台（HLM)，实现生物杂交的可复制制造和控制。该方法包括修改多材料3d打印机描述，以控制化学信号在打印对象内部的分布，以及随后在对象表面添加水凝胶，以固定工程大肠杆菌，促进材料驱动的化学信号。因此，该平台展示了可预测的、可重复的三维打印物体表面蛋白表达的空间控制。定制开发的正交信号树脂和基因电路使多路表达模式成为可能。HLM方法生产的生物混合材料具有可穿戴性、自我支持的3D结构，以及可复制和可定制的可编程生物表面，从而开启了将工业建模和制造方法应用于生命材料设计的路径。
图1 HLM方法流程
HLM打印方法流程如上图1所示。使用数字材料在光聚合的喷墨3D打印机上进行数字制造(图1d，f)，这里的数字材料定义为喷墨打印机在打印过程中能够动态结合的树脂的混合比例，当材料分布描述映射到打印环境时，每个体素的材料组成被解码成不同的不同材料滴。这种方法的创新之处是，将类似水凝胶的支撑材料混合物与刚性或柔性构建材料结合使用，使3D打印机能够制造出具有吸收和保留化学信号相关特性的定制数字材料。此外，定制的含有诱导剂的树脂配方(图1e)被开发出来，以使化学信号和化学保留矩阵直接分布到打印物的永久结构中(图1f)。为了实现程序化的生物混合功能，3d打印的物体被接种工程细胞(例如大肠杆菌)，这些细胞通过一层薄的气溶胶水凝胶涂层粘附在物体表面(图1g)。化学信号通过水凝胶层的扩散，细胞可预测地感知化学信号并作出相应反应，据此可程序化设计HLM的生物学行为。最终结果表明，这种方法可用于设计和制造具有可预测和可复制的时空功能和生物模板(图1i)。
图2 HLM生成的多信号逻辑模板
图2c得到的HLM磁盘显示了可调的控制和同时蛋白表达通道之间的正交性。图2d是双输入逻辑门设计的基因构建: AND函数(上)和NAND函数(下)。图2e中细菌在HLM磁盘上的响应，表明双输入逻辑函数产生了与双信号重叠区域相关的空间蛋白表达模式。图3f是第二个模板的原理图设计，一个内部分层两种信号材料的两叶形状的3d打印模板与均匀分布结构相接触培养。HLM输出模式显示了两个输入的正交调节计算，生成的空间模式显示了规则集与HLM模板几何形状和材料分布的关系。
HLM制造平台提供了一种以连接计算设计、材料制造和合成生物学为中心的新技术，以控制几何复杂、机械性能好、多材料三维结构表面的基因表达模式。改变了3d打印平台的数字指令和材料组成，以制造结构化的光聚合物，可以在固化的结构中保留精确的化学调节信号的空间分布。将工程大肠杆菌固定在这些物体的表面，以促进工程基因结构和化学信号谱之间设计的相互作用。HLM该平台实现了一种可编程方法，用于在3d打印数字材料和遗传调节电路之间产生可控的空间相互作用。