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06-17
11月28日消息，Phys.org报道称，来自哈佛大学和哈佛医学院布莱根妇女医院的研究团队已开发出一种“ “活性墨水”可用于打印用于创建 3D 结构的相同活性材料。
该团队对大肠杆菌和其他微生物的细胞进行基因改造，制造出活的纳米纤维，将这些纤维捆绑在一起，并添加其他材料来生产可用于标准 3D 打印机的墨水。
他们目前已经使用活性墨水打印了两个带有活性成分的 3D 物体。
一种是受到某些化学物质刺激时会分泌azurin（一种抗癌药物）的材料。
另一种是无需其他化学品或设备即可隔离 BPA 的材料。
据了解，该研究成果已发表在《自然通讯》杂志上。
研究人员相信他们的概念表明墨水可能能够自我创造。
通过对微生物进行工程改造，促使它们产生自身的复制品。
他们还表示，这项技术似乎有可能用于打印具有自我修复能力的可再生建筑材料——这是在地球、月球或火星上建造自给自足房屋的一种可能方法。
01 3D打印添加新材料。
3D打印这个技术概念从最早的“出现”开始就突然流行起来。
现在不仅在科研领域受到广泛关注，在工业领域也已初具规模。
3D打印在汽车、航天、军工等制造业，以及医疗、文创、教育等诸多行业都有很多具体的应用。
成型材料基本为金属或非金属，以粉末、线状、液体为主。
随着3D打印技术和市场的成熟，其与计算机图形学、机器人、生命科学、材料科学等领域的交叉越来越广泛，多学科融合程度逐渐加深，这也为3D打印提供了更多的可能。
机会。
丰富的可能性和广阔的发展前景。
3D生物打印是从3D打印的增材制造工艺演变而来，逐层构建材料并最终形成产品。
它可以生产具有相似组织复杂性且可精确控制的 3D 组织结构。
这项技术的关键在于打印材料，它也继承了3D打印一直以来对材料的高要求。
不再是过去的金属或非金属，3D生物打印所使用的材料包括活细胞和生物材料，作为打印材料通常被称为“生物墨水”。
生物墨水首先必须具有良好的生物活性，类似于体内的细胞外基质正常，这样打印后细胞才能进一步发育并建立细胞间的连接。
其次，要求成型性好，印刷时流动性好，印刷后能快速固化。
目前，利用微生物工程生产各种应用的材料已经取得了一些成果，但构建任意图案和形状的三维结构一直是一个巨大的挑战。
近日，来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院、Wyss生物工程研究所、医学系和工程系以及东北大学化学与化学生物学系的学生完成了一项项目研究在生物墨水上。
他们的研究工作将先进的纳米生物技术与活性材料技术相结合，为3D生物打印技术生产功能性“生命体”开辟了新的空间。
该研究还发表在《自然》杂志的子刊《自然通讯》上。
02 充分利用微生物的遗传可编程性。
活细胞具有合成分子成分并在纳米尺度上精确组装它们的能力，因为它们有能力在适当的环境条件下构建宏观的活功能结构。
哈佛大学的安娜和阿维纳什领导的研究小组开发了一种他们称之为“微生物墨水”的印刷材料。
它完全由基因工程微生物细胞制成。
它被编程为以自下而上的分层方式由蛋白质单体自组装成纳米纤维，并进一步形成含有可挤出水凝胶的纳米纤维网络。
通过将基因工程大肠杆菌（E.coli）细胞和纳米纤维嵌入微生物墨水中，研究人员进一步证明了功能性生物材料的3D打印；该技术可以有效隔离有毒部分，释放生物制剂，并通过化学诱导合理设计的遗传物质来调节自身细胞的生长。
事实上，在组织工程背景下，用于打印哺乳动物细胞的3D生物打印技术已经相对成熟，并且最近已被用于打印生物技术和生物医学领域所需的微生物细胞。
然而，当今已探索的喷墨印刷、接触印刷、丝网印刷和平版印刷等技术比基于挤出的技术先进得多。
生物打印技术在兼容性和成本效益方面略显不足。
因此，在这一理念下有很多研究方法和路径，也探索出了多种生物墨水。
但到目前为止，还没有人充分利用微生物的遗传可编程性来合理控制生物墨水的机械性能。
研究人员认为，出于多种考虑，该想法可应用于可持续制造实践、在资源匮乏的环境（例如一些贫瘠的陆地或外星宇宙）中制造原材料，以及通过仿生设计和基因工程实现精确度。
性增强材料的性能等领域将在这方面发挥促进作用。
这就是安娜和阿维纳什开始这个研究项目的原因。
他们对最终目标的愿景分为三个阶段，首先设计一种具有高打印保真度的可挤出生物墨水；然后通过“自下而上”的方法完全用工程微生物生产它。
生物墨水；最后，打造一个可编程平台，在更大、更宏观的层面上实现3D打印生命结构的先进功能，从而将新兴的生命材料领域推向从未被探索过的前沿技术蓝海。
03利用基因工程在这项工作中，他们制造了一种完全由基因工程大肠杆菌生物膜制成的微生物墨水。
他们在论文中详细介绍了这种微生物墨水的具体特征，展示了其结构和形状的完整性。
更长期的影响是，通过将基因工程大肠杆菌细胞嵌入微生物墨水中，他们展示了3D打印多种潜在生物墨水的可能性，例如治疗性生物材料、分离生物材料和可调节生物材料。
图|微生物墨水的设计策略、生产和功能应用示意图（来源：Nature Communications）图中的a部分，研究人员将源自纤维蛋白的α（旋钮）和γ（孔）蛋白结构域与卷曲纳米颗粒结合在一起使用纤维的主要结构成分 CsgA，对大肠杆菌进行基因改造以生产微生物墨水。
分泌后，CsgA-α和CsgA-γ单体通过球形孔结合相互作用自组装成交联纳米纤维。
b 显示旋钮和孔域源自纤维蛋白，纤维蛋白在血凝块形成过程中的超分子聚合中发挥关键作用。
c图显示，从工程蛋白质纳米纤维生产微生物墨水的整个方案涉及标准细菌培养、有限的加工步骤，并且不需要添加外源聚合物。
最后，将微生物墨水进行3D打印以获得功能性生物材料。
该设计的想法建立在研究团队的早期工作基础上，其中 Anna 和 Avinash 证明，可以通过将功能性肽/蛋白质融合到单个卷曲 CsgA 来合成大肠杆菌生物膜细胞外基质 (ECM) 的天然蛋白质卷曲纳米纤维。
通过体内基因工程生产剪切稀释水凝胶。
同时，为了创造具有理想粘弹性的生物墨水，他们引入了一种基因工程交联策略，该策略受到纤维蛋白的启发（如上图b所示）。
本研究制备的微生物墨水的设计重新利用了α和γ模块之间的结合相互作用，即“旋钮-孔”相互作用，以引入纳米纤维之间的非相干相互作用。
化合价交联可增强机械鲁棒性，同时保持剪切稀化特性。
此外，研究人员表示，该实验中还值得注意的是，CsgA自组装形成的纤维高度稳定，并且能够抵抗蛋白水解、洗涤剂诱导和热变性。
04 合成生物学新工具 可打印生物墨水需要具有足够低的粘度以便于轻松挤出，但又足够坚固以在打印后保持其形状。
该成果极大地推动了3D生物打印技术领域机械强度可调、细胞活力高、打印保真度高的先进生物墨水的发展，拓展了研究思路。
他们认为，未来，可以利用合成生物学家开发的不断增长的生物部件“工具包”，进一步定制微生物墨水，用于各种生物技术和生物医学应用。
当与其他材料技术（例如已经将活细胞融入结构建筑材料的技术）结合时，本研究中制备的微生物生物墨水将特别重要。
此外，还可以支持太空等极端环境下人类栖息地结构建筑的建造；由于在这种环境下原材料运输极为困难，建筑材料是根据需要利用非常有限的资源生产的。
是一个必须考虑的问题。
总体而言，3D生物打印仍处于初级研发阶段。
Bioink作为生物3D打印技术的关键材料，也是该领域研究的热点。
对于市场应用来说，现在谈论这些技术的规模化和市场化还为时过早。
然而，这一研究领域未来发展潜力巨大，可涉及广泛的应用，包括个性化医疗器械、新型生物材料的开发、三维支架和三维细胞培养、再生医学、多细胞构建等。
生物结构，以及本文中的研究人员设想的建筑材料等等。
可以说，生物3D打印技术正在以极快的速度发展，极大地惠及了各种手术和再生医学等领域。
未来，让我们期待该领域出现更多能够改善人类社会、改造相关产业的技术。
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