简简单单,纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶发了一篇AFM!用于4D打印工程生物材料

3D打印科研前沿
2021
10/18
11:09
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来源:高分子科学前沿

刺激响应材料通过自愈、改变机械性能或从一种形式变形到另一种形式来响应外部环境的变化。通常,这些刺激会直接改变材料的物理特性,从而产生所需的刺激反应。然而,触发形状变化的外部刺激通常是温度变化、紫外线照射或溶剂接触,这些通常是生物医学应用中的所要避免的限制因素。一般来说,如果在人体内使用这些类型的刺激,可能会对周围组织造成不可逆的有害影响。为了克服这些限制,对环境中细微的生化刺激作出反应的材料可能更适合生物医学应用。工程活体材料 (ELM)整合了活细胞和化学合成两种交叉学科,并已被用于制造生物刺激响应设备。ELM 是利用活细胞的生物学功能来检测环境中的微小变化并以程序化的方式做出响应的材料。

受ELM的响应特性的启发,来自的德克萨斯A&M大学的Taylor H. Ware团队报告了一种使用直接墨水打印原理来制造工程生物材料(ELM)的方法,该材料通过对特定分子进行程序化的形状变化来做出响应。通过整合只有在特定生物分子存在的情况下才能增殖的基因工程酵母,将刺激响应特性赋予ELM。这种增殖反过来会导致ELM变形,以响应生物分子刺激。这些ELM是通过共同打印包含多种酵母菌株的生物墨水制造的。在ELM的局部,细胞增殖会导致材料的可控的变形,从而导致体积增加高达370%。在全局范围内,打印的 3D 结构包含体积膨胀的材料区域和在给定条件下不会膨胀的区域,因此产生可编程的变形效果去响应目标氨基酸和核苷酸。最后,利用这种打印方法可以设计一种基于储层的药物输送系统,从而用于响应特定生物分子的模型药物的按需输送。相关工作以题为“4D Printing of Engineered Living Materials”的研究性文章在《Advanced Functional Materials》上发表。

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含细胞油墨的组成
本文究了含酵母生物墨水和无细胞墨水的水凝胶的4D打印(图1A)。重要的是,控制酵母菌数量和类型的空间分布可以控制3D结构内细胞的增殖,这会导致结构变形为复杂的形状。本文还配制了一系列可以交联成水凝胶的可打印油墨,并研究了含细胞材料和无细胞材料的流变行为。含细胞油墨由酵母(酿酒酵母或布拉酵母)、作为流变调节剂的纤维素纳米晶(CNCs)、作为线性单体的丙烯酰胺、作为交联剂的双丙烯酰胺(BIS)、作为光引发剂的LAP和水组成(图1B)。
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图1.形状变形工程生物材料的制造。

CNC对ELMs和无细胞油墨可印染性的影响
随着CNC浓度的增加,油墨在低剪切速率下的粘度略有增加(图2A)。由11、16、19或22wt%CNC以及如上所述相同浓度的单体、交联剂和光引发剂组成的无细胞油墨也具有强烈的剪切稀释性,并且随着CNC浓度的增加,粘度略有增加(图2B)。细胞墨水和无细胞墨水都遵循幂律粘度模型,流动指数接近0。对于本研究中合成的生物墨水和无细胞墨水,CNC的加入都导致了比剪切损失模量更高的剪切储存模量(图2C,D),这表明在低剪切应变下,这两种类型的墨水都具有类似固体的行为,也就是允许保持形状。这种形状保持性允许细胞墨水和无细胞墨水在氮气环境下用紫外光进行光固化时保持形状,从而分别形成ELMS和无细胞水凝胶。

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图2.CNC对ELMs和无细胞油墨可印染性的影响。
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图3.不同浓度的CNC对机械性能和形状变化的影响。

基因工程ELMs的制备
益生菌的基因工程可以人为编程嵌入菌株增殖所需的条件,从而改变复合物的形状。本文利用了一系列布氏链球菌营养缺陷型突变体(LEU2、URA3、TRP1和HIS3),这些突变体以前通过成簇的重复-Cas9基因组编辑系统进行了基因修饰(图4A),并且每个使用的突变体都缺乏L-亮氨酸、尿嘧啶、L-色氨酸或L-组氨酸的合成。因此,除非生长环境中存在特定的氨基酸或核苷酸,否则每个突变体的增殖都是微乎其微的。在含有缺乏相应氨基酸或核苷酸的合成培养基琼脂的培养皿中生长后,确认每个突变体都属于营养缺陷型(图4B)。
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图4.工程益生菌可以形成ELMs。

多益生菌变形的ELMs的原理
直接墨水打印允许不同的益生菌突变体在单个ELM结构中的不同的空间分布。只有当适当的生化刺激出现时,结构的中的特定区域才会生长。本文印刷了含有两个基因工程布氏链球菌突变体(TRP1,URA3)的ELMs双层,每层含有一个突变体(图5A)。由于存在突变体S.boulardii-TRP1的未生长层和S.boulardii-URA3的生长层之间的不匹配应变,双层结构发生曲率的变化。
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图5.4D可连续改变形状的打印ELMs。
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图6.4D可多次变形的打印ELMs。

3D打印变形给药ELMs
在确定本文的方法可以制造4D打印的ELMs后,本文假设可以利用这种形状变化来制造医用胶囊,这些ELM可以通过编程方式改变形状来对特定的生化刺激做出反应。本文制作了一个模型药物输送装置,方法是在胶囊的底部印刷一个Elm S.boulardii-TRP1突变体,在胶囊的主体和盖子中印刷无细胞材料(图7A)。这些胶囊的制造尺寸与普通口服药物相似,并且是中空的,可以作为不能通过水凝胶扩散的药物的临时储存库。本文制作了这个胶囊,并且让其在37°C的合成完整培养基中生长,以记录它们的形状变化和药物释放模型随时间的变化。由于胶囊的底部的无细胞结构发生了收缩,所以在12至24小时或24至36小时的时间点之间,底部膨胀并最终破裂。具有代表性的胶囊的形状变化和破裂的演变如图7B所示。这种破裂被观察到是在本文有意制造的弱点附近开始的,这使得模型药物可以从临时储存库中释放出来。
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图7.4D打印ELM给药装置。

小结:本文演示了4D打印的ELM,这些ELM在生物化学环境中变形可以人为控制,以响应特定生物化学物质。流变改进剂CNC用于调节生物墨水和无细胞墨水的粘度,这些墨水可用于直接打印不同结构。本文利用同一结构内的一种或两种生物墨水的多材料4D打印技术,在空间上实现了酵母的浓度的控制。这种方法使被包裹的酵母的DNA能够发出诱导变形所需的刺激信号。ELM与大多数普通的变形材料完全不同,因为ELM的合成聚合物中的物理变化是由热、光、溶剂或其他刺激驱动的。因此,这种方法可能使新型生物响应性医疗设备成为可能。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106843


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