南京工业大学：3D打印具有生物催化功能的活体材料

来源： EngineeringForLife

微生物可以在生物材料与组织工程中与脱细胞成分协同工作，从而应用到生物制造、生物修复或生物医学工程中去。而生物3D打印可将微生物与水凝胶材料进行融合，能够控制细胞和化学成分的空间分布，且与传统的液体培养相比，还提高了整体的生物催化性能。但如何将活性组分有效整合到强化水凝胶中并平衡其可打印性和生物相容性，构建出利于细胞生存的微环境仍是一大挑战。挤出式生物3D打印要求生物打印材料具有剪切变稀和应变恢复性能并可交联固化，而这些要求皆表明生物打印过程中的动态控制也是挑战之一。因此迫切需要能够创建具有明确3D形状的定制活体材料的策略，特别是在构建3D结构的同时改变其组成和功能特性。

来自南京工业大学的余子夷、陈苏教授团队开发了一种具有生物催化功能的的活体材料，由双网络高分子和微生物细胞共同构成，并可用作生物墨水，结合EFL挤出式生物3D打印机（EFL-BP-6602）进行精确的生物3D打印制造，可为微生物提供良好的生存环境和理想的力学性能。通过将含微生物的水凝胶加载在挤出式生物3D打印设备中，可以直接打印具有高细胞活性的生物材料，并维持代谢活性，同时制备了一种细菌-藻类共培养系统，显示了去除污染物进行生物修复的可能性。相关研究“3D Printed Biocatalytic Living Materials with Dual-Network Reinforced Bioinks”发表于《small》杂志上。

在生物墨水的设计上，选用功能化后的多糖透明质酸（HA）聚合物与葫芦[8]脲 (CB[8])，将两者预先混合，形成物理交联的3D网络超分子水凝胶，然后将超分子凝胶与微生物混合获得可打印的生物墨水（图1）。

图1 基于功能化的透明质酸的双交联载体设计

为测试生物墨水的可打印性能，研究人员评估了活性生物墨水的流变性能并对其进行高振荡应变(500 %)和低振荡应变(1 %)的循环测试（图2），结果表明该生物墨水具有良好的剪切变稀以及应变恢复性能。

图2 活体材料的3D打印

为验证3D打印的双网络支架的应用，设计并利用了一个酵母培养基循环装置，以在酵母发酵过程中最大限度地提高乙醇生产率（图3）。结果发现3D打印晶格水凝胶的乙醇生产率明显高于大块水凝胶，表明3D打印的活体材料有着更高的催化效率。

图3 生物催化活体材料的发酵性能

为拓展该双网络水凝胶生物墨水的应用，设计了一个枯草杆菌-小球藻共培养系统（图4），用以吸收二氧化碳和催化降解污染物，证明了开发的活体材料在生物修复领域有着重要价值。

图4 多细胞生物活体材料用于二氧化碳固定和生物修复

综上，该研究利用动态化学以及双交联网络的方法开发了一种具有良好的生物相容性和力学性能的生物墨水，并结合挤出式生物3D打印制造了在微尺度空间固定微生物和构建多细胞共生的生物活体材料，实现了生物催化的强化。基于此研制的细菌-微藻共培养系统在化学物质的生物降解方面具有广阔的应用前景。这项研究为探索新的生物相容性良好的可打印生物墨水提供了一个新的突破。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/smll.202104820