MIT研究出结合生物元素的3D打印物体

2020年1月28日，南极熊从外媒获悉，麻省理工学院（MIT）等单位的研究人员开发出一种3D打印对象的新方法，能够以可预测的方式控制生物行为。

研究人员说，该技术可用于制造3D打印生物医学工具，例如定制的牙套，这些工具结合了活细胞可以制造治疗性化合物，例如止痛药或局部疗法。

这项新进展是由MIT 副教授Neri Oxman，研究生Rachel Soo Hoo Smith，Christoph Bader和Sunanda Sharma以及MIT、哈佛大学Wyss研究所和Dana-Farber癌症研究所的其他6人领导。 最近在《Advanced Functional Materials》杂志上发表的一篇论文中描述了该系统。

Smith说：“我们称它们为混合生命材料（hybrid living materials）或HLMs” 。 在最初的概念验证实验中，该团队将各种化学物质精确地结合到了3D打印工艺中。 这些化学物质充当信号来激活生物工程微生物中的某些响应，这些微生物被喷涂在打印物体上。 一旦喷涂好之后，微生物就会根据化学信号显示特定的颜色或荧光。

在他们的研究中，研究小组描述了这些彩色图案在各种打印物体中的出现，他们说这证明了活细胞已成功地并入3D打印材料的表面，并在放置了化学品的位置响应了细胞的活化。

他们的目的是要制造出一种结合了生物元素的物体和装置，其制造方式与其他工业制造工艺一样具有可预测性和可扩展性。

该团队通过多个步骤来生产他们的混合材料。首先，他们使用市售多材料喷墨3D打印机，以及用于3D打印的树脂和化学材料组合的定制配方。

△多材料体素级3D打印机Stratasys J750

他们发现一种类型的树脂，通常仅用于为打印结构的悬垂部分提供临时支撑，然后在打印后溶解，可以通过与结构树脂材料混合来产生有用的结果。包含此支撑材料的结构部分将成为吸收剂，并能够保留控制活生物体行为的化学信号。

最后，添加生物层：水凝胶的表面涂层（一种主要由水组成的凝胶状材料，提供了稳定耐用的晶格结构）被注入生物工程细菌，然后喷涂到物体上。

Smith说：“我们可以在打印形状内定义混合生物材料和生物合成产品的非常具体的形状和分布，无论是颜色还是治疗剂。”这些初始测试形状中的某些形状制成了银元大小的圆盘，其他形状则制成了彩色面罩，其结构内的活菌提供了颜色。随着细菌的生长，颜色需要几个小时才能形成，一旦到位，颜色就会保持稳定。

Oxman说：“这种方法在实际应用中发挥了作用，因为设计人员现在能够通过计算算法来控制生命系统的增长。将设计计算，增材制造和合成生物学相结合，HLMs平台指出了这些技术可能对看似完全不同的领域产生深远影响。”

团队使用的打印平台允许在结构的不同部分之间连续精确地改变打印对象的材料属性，其中某些部分较硬，另一些则更柔韧，有些则具有吸收性，而另一些则具有拒液性。这样的变化在设计生物医学装置时可能有用，所述生物医学装置可以提供强度和支撑，同时还柔软且柔韧以在它们与身体接触的地方提供舒适感。

该团队包括生物学，生物工程学和计算机科学领域的专家，他们提出了一个系统，该系统可产生可预测的跨打印对象的生物学行为模式，而不受诸如化学物质在材料中扩散等因素的影响。通过对这些效果进行计算机建模，研究人员开发了软件，他们说这些软件可以提供与传统3D打印系统所用的计算机辅助设计（CAD）系统相当的精度。

该多树脂3D打印平台可以使用三到七种不同比例，性质不同的树脂。与合成生物工程相结合，这使得设计具有生物表面的对象成为可能，该对象可以被编程为以可重现但完全可自定义的方式以特定方式对特定刺激（例如光或温度或化学信号）做出响应。

Oxman说：“将来，面罩中包含的颜料可以用对人体有益的化学物质代替，例如维生素，抗体或抗菌药物。” “想象一下一个可穿戴的产品，旨在引导定制的抗生素形成，以适应其用户的基因构成。或者，考虑可以检测污染的智能包装，或可以实时响应并适应环境提示的对环境敏感的建筑外观。”

研究人员说，在他们的测试中，研究小组使用了转基因的大肠杆菌，因为它们生长迅速并且得到了广泛的使用和研究，但原则上也可以使用其他生物。

团队成员包括Dominik Kolb，Tzu-Chieh Tang，Christopher Voigt和MIT的Felix Moser。哈佛医学院达纳-法伯癌症研究所的艾哈迈德·霍斯尼（Ahmed Hosny）；和哈佛大学怀斯学院的詹姆斯·韦弗（James Weaver）。它得到了罗伯特·伍德·约翰逊基金会，盖蒂实验室，DARPA工程生活材料协议以及国家安全科学与工程学院奖学金的支持。


来源：MIT