供稿人：高琳 谢璇璇 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-11-17
活细胞内时刻进行着广泛的生化反应，工业生产中，生物反应器将活细胞作为合成工具，在酒类、医药生产、浓缩果酱、果汁发酵、有机污染物降解方面有重要应用。然而，在工业生物反应器的范围之外，如何在宏观长度尺度或细胞自然环境之外可靠地利用生命系统的功能？这个问题答案之一是构建搭载生命体（细菌、细胞等）的生物混合材料（Hybrid Living Materials ,HLMs）。目前，已被研究的HLMs有生物混合壁、生物混合纤维和生物混合机器人。然而，研究中遇到的一个问题是HLMs难以以类似于工业材料的方式使用，即生产中可控性较差，产品一致性较差。
针对这个问题，MIT介质实验室Neri Oxman课题组通过改进商用多材料3D打印机(The Objet Connex500(Stratasys, Rehovot, Israel))和打印材料，研制出解决可复制性、可扩展性和标准化控制相关的问题的数字制造平台。该平台框架包括计算设计、3D制造和基因工程技术(图1)。本例中的生物混合面罩经过数字建模，以定制适合人脸并显示规定的细胞-材料相互作用(图1c)，证明了其作为特定部位局部治疗和细菌治疗递送系统的潜在用途。
HLM制造平台提供了一种新技术，通过修改3D打印平台的数字命令和材料组成，其产品拥有化学调节信号的精确空间分布，以可重复和可预测的方式在3D对象的表面上产生预计的生化反应。在这个过程中，首先使用计算机辅助设计环境对HLMs进行规划。与原平台相比有两点改进，一是可以指定化学信号如何在对象中分布，为此，采用“体积材料描述”，将3D对象表示为以规则网格排列的一组体素(3D像素)。与立体平版印刷(STL)文件格式不同，该文件格式为每个网格边界对象分配一种材料，即每个体素分配多种材料成分，并通过文献调研与生物实验总结出化学信号的几何形状和浓度相关的生物反应的数学表达。二是打印材料也做相应改进，开发了含诱导剂的树脂配方(图1e)，具体而言，通过非常规地将SUP705混合到构建材料中产生聚合物中间体，为细胞培养提供了合适的底物，同时作为用于储存和释放诱导特异性基因表达的化学信号的吸收基质。通过调节SUP705在数字材料中的浓度，打印机平台实现了对每个位置存储的化学信号量的控制。为了实现生物杂交功能，3D打印的对象最后需要接种工程细胞(例如大肠杆菌)，这些细胞通过薄的雾化水凝胶涂层粘附在对象表面(图1g)。化学信号通过水凝胶层的扩散，细胞感知化学信号并出现预计的生化反应。 HLM制造平台能够同时指导复杂的3D结构、细菌功能和材料特性分布，实现了对功能输出的前所未有的控制。因此，这项工作将生物混合材料推向了从可穿戴治疗或监测设备到可定制消费产品的应用领域。