3D打印生物的新方法

3D打印生物的新方法

LLNL研究人員正在繼續致力於(yu) 開發更複雜的3D晶格並創建具有更好印刷和生物學性能的新型生物樹脂。他們(men) 正在評估諸如碳納米管和水凝膠之類的導電材料，以傳(chuan) 輸電子，以及通過生物合成印刷的營養(yang) 養(yang) 分細菌，以提高微生物合成應用中的生物試劑效率。該團隊還正在確定如何-佳地優(you) 化生物印刷電極的幾何形狀，以-大程度地通過係統運送大量營養(yang) 物質和產(chan) 品。

LLNL生物工程師和合著者莫妮卡·莫亞(ya) (Monica Moya)說：“我們(men) 才剛剛開始了解結構是如何控製微生物行為(wei) 的，這項技術是朝這個(ge) 方向邁出的一步。” “操縱微生物及其理化環境以實現更複雜的功能具有一係列應用，包括生物製造，修複，生物傳(chuan) 感/檢測，甚至是工程生物材料的開發，這些材料是自動圖案化的，可以自我修複或感知/響應他們(men) 的環境。”

實驗室指導研究與(yu) 開發計劃資助了該研究。

勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室 (LLNL)的科學家們(men) 開發了一種以受控模式3D打印生物的新方法，從(cong) 而擴大了利用工程細菌回收稀土金屬，清潔廢水，檢測鈾等的潛力。

通過使用光和細菌注入樹脂來產(chan) 生3D模式微生物的新技術，研究團隊成功地印刷了類似於(yu) 現實世界中微生物群落薄層的人造生物膜。該研究小組將細菌懸浮在光敏生物樹脂中，並使用LLNL開發的用於(yu) 微生物生物打印(SLAM)的3D立體(ti) 光刻設備的LED光將細菌“捕獲”在3D結構中。投影立體(ti) 光刻機可以以18微米量級的高分辨率進行打印-幾乎與(yu) 人體(ti) 細胞的直徑一樣薄。

在發表在《納米快報》(Nano Letters)期刊上的論文中，研究人員證明了該技術可有效用於(yu) 設計結構明確的微生物群落。他們(men) 展示了這種3D打印生物膜在鈾生物傳(chuan) 感和稀土生物采礦應用中的適用性，並展示了幾何形狀如何影響印刷材料的性能。

首-席研究員和LLNL生物工程師William“ Rick” Hynes說：“我們(men) 正在努力推動3D微生物培養(yang) 技術的發展。” “我們(men) 認為(wei) 這是一個(ge) 研究不足的領域，其重要性尚未得到很好的理解。我們(men) 正在努力開發工具和技術，研究人員可以使用這些工具和技術更好地研究微生物在幾何複雜但高度受控的條件下的行為(wei) 。通過訪問和增強對微生物種群的3D結構進行更好控製的應用方法，我們(men) 將能夠直接影響它們(men) 之間的相互作用方式，並改善生物製造生物試劑過程中的係統性能。”

盡管看似簡單，但海因斯解釋說，微生物行為(wei) 實際上極為(wei) 複雜，並且受其環境的時空特性(包括微生物群落成員的幾何組織)驅動。海因斯說，微生物的組織方式會(hui) 影響一係列行為(wei) ，例如它們(men) 如何生長，何時生長，飲食，如何合作，如何保護自己免受競爭(zheng) 對手的攻擊以及產(chan) 生什麽(me) 樣的分子。

Hynes解釋說，以前實驗室中生物試劑生物膜的方法使科學家幾乎無法控製膜中的微生物組織，從(cong) 而限製了人們(men) 充分了解自然界細菌群落中複雜相互作用的能力。在3D模式下對微生物進行生物打印的能力將使LLNL科學家能夠更好地觀察細菌在其自然棲息地中的功能，並研究諸如微生物電合成等技術，其中“吃電子的”細菌(電養(yang) 菌)在非高峰時段將多餘(yu) 的電能轉化為(wei) 生物試劑生物燃料和生物化學物質。

Hynes補充說，目前，由於(yu) 電極(通常是導線或2D表麵)與(yu) 細菌之間的接口效率低下，微生物的電合成受到了限製。通過將設備中的3D打印微生物與(yu) 導電材料結合起來，工程師應該實現具有高度擴展和增強的電極-微生物界麵的高導電生物材料，從(cong) 而產(chan) 生更加高效的電合成係統。

生物膜對工業(ye) 的興(xing) 趣日益增加，在工業(ye) 中，生物膜可用於(yu) 修複碳氫化合物，回收關(guan) 鍵金屬，清除船上的藤壺以及用作多種天然和人造化學物質的生物傳(chuan) 感器。LLNL研究人員利用LLNL的合成生物學能力 進行了基因改造，在其中對新月形細菌 Caulobacter crescentus進行了基因修飾，以提取稀土金屬並檢測鈾沉積，該研究人員在-新論文中探索了生物印刷幾何形狀對微生物功能的影響。

在一組實驗中，研究人員比較了不同生物打印圖案中稀土金屬的回收率，結果表明，打印在3D網格中的細胞可以比傳(chuan) 統的塊狀水凝膠更快地吸收金屬離子。該小組還印製了活體(ti) 鈾傳(chuan) 感器，與(yu) 對照印刷品相比，觀察到了工程細菌的熒光增強。

“這些具有增強的微生物功能和傳(chuan) 質特性的有效生物材料的開發對許多生物應用具有重要意義(yi) ，”合著者和LLNL微生物學家焦永欽說。“新穎的生物打印平台不僅(jin) 可以通過優(you) 化的幾何形狀提高係統性能和可擴展性，而且還能保持細胞活力並能夠長期保存。”