供稿人：高琳 謝璇璇 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-11-17
活細(xì)胞內(nèi)時(shí)刻進(jìn)行著廣泛的生化反應(yīng)，工業(yè)生產(chǎn)中，生物反應(yīng)器將活細(xì)胞作為合成工具，在酒類、醫(yī)藥生產(chǎn)、濃縮果醬、果汁發(fā)酵、有機(jī)污染物降解方面有重要應(yīng)用。然而，在工業(yè)生物反應(yīng)器的范圍之外，如何在宏觀長(zhǎng)度尺度或細(xì)胞自然環(huán)境之外可靠地利用生命系統(tǒng)的功能？這個(gè)問題答案之一是構(gòu)建搭載生命體（細(xì)菌、細(xì)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、生物混合纖維和生物混合機(jī)器人。然而，研究中遇到的一個(gè)問題是HLMs難以以類似于工業(yè)材料的方式使用，即生產(chǎn)中可控性較差，產(chǎn)品一致性較差。
針對(duì)這個(gè)問題，MIT介質(zhì)實(shí)驗(yàn)室Neri Oxman課題組通過改進(jìn)商用多材料3D打印機(jī)(The Objet Connex500(Stratasys, Rehovot, Israel))和打印材料，研制出解決可復(fù)制性、可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化控制相關(guān)的問題的數(shù)字制造平臺(tái)。該平臺(tái)框架包括計(jì)算設(shè)計(jì)、3D制造和基因工程技術(shù)(圖1)。本例中的生物混合面罩經(jīng)過數(shù)字建模，以定制適合人臉并顯示規(guī)定的細(xì)胞-材料相互作用(圖1c)，證明了其作為特定部位局部治療和細(xì)菌治療遞送系統(tǒng)的潛在用途。
HLM制造平臺(tái)提供了一種新技術(shù)，通過修改3D打印平臺(tái)的數(shù)字命令和材料組成，其產(chǎn)品擁有化學(xué)調(diào)節(jié)信號(hào)的精確空間分布，以可重復(fù)和可預(yù)測(cè)的方式在3D對(duì)象的表面上產(chǎn)生預(yù)計(jì)的生化反應(yīng)。在這個(gè)過程中，首先使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)HLMs進(jìn)行規(guī)劃。與原平臺(tái)相比有兩點(diǎn)改進(jìn)，一是可以指定化學(xué)信號(hào)如何在對(duì)象中分布，為此，采用“體積材料描述”，將3D對(duì)象表示為以規(guī)則網(wǎng)格排列的一組體素(3D像素)。與立體平版印刷(STL)文件格式不同，該文件格式為每個(gè)網(wǎng)格邊界對(duì)象分配一種材料，即每個(gè)體素分配多種材料成分，并通過文獻(xiàn)調(diào)研與生物實(shí)驗(yàn)總結(jié)出化學(xué)信號(hào)的幾何形狀和濃度相關(guān)的生物反應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)。二是打印材料也做相應(yīng)改進(jìn)，開發(fā)了含誘導(dǎo)劑的樹脂配方(圖1e)，具體而言，通過非常規(guī)地將SUP705混合到構(gòu)建材料中產(chǎn)生聚合物中間體，為細(xì)胞培養(yǎng)提供了合適的底物，同時(shí)作為用于儲(chǔ)存和釋放誘導(dǎo)特異性基因表達(dá)的化學(xué)信號(hào)的吸收基質(zhì)。通過調(diào)節(jié)SUP705在數(shù)字材料中的濃度，打印機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)位置存儲(chǔ)的化學(xué)信號(hào)量的控制。為了實(shí)現(xiàn)生物雜交功能，3D打印的對(duì)象最后需要接種工程細(xì)胞(例如大腸桿菌)，這些細(xì)胞通過薄的霧化水凝膠涂層粘附在對(duì)象表面(圖1g)。化學(xué)信號(hào)通過水凝膠層的擴(kuò)散，細(xì)胞感知化學(xué)信號(hào)并出現(xiàn)預(yù)計(jì)的生化反應(yīng)。 HLM制造平臺(tái)能夠同時(shí)指導(dǎo)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)、細(xì)菌功能和材料特性分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功能輸出的前所未有的控制。因此，這項(xiàng)工作將生物混合材料推向了從可穿戴治療或監(jiān)測(cè)設(shè)備到可定制消費(fèi)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。