3D打印装载工程菌的明胶/海藻酸钠复合水凝胶用于电离辐射的生物检测

来源：生物设计与制造BDM

本研究论文聚焦于工程化细菌检测环境因素的载体制备及制造研究。利用工程菌检测环境中的化学毒物、重金属、放射性物质等有害因素具有广阔的应用前景，但由于工程菌自身条件限制，大多无法在外界环境中现场应用。近年来，生物3D打印水凝胶被广泛用于活细胞培养、组织工程等方面，其在保证细胞活性的前提下还可根据不同应用场景进行形状的个性化设计，有望解决工程菌现场应用问题。本研究从环境电离辐射检测的问题出发，通过构建工程菌并根据性能进行筛选，得到了可在电离辐射诱导下产生绿色荧光信号的辐射响应工程菌。以明胶和海藻酸钠作为主要材料，设计不同配方的水凝胶，通过比较其成胶性能、压缩性能和可打印性等筛选得到最优的水凝胶载体。将工程菌载入水凝胶载体中，通过存活率和荧光强度检测发现3D打印水凝胶可作为活细菌的优良载体，为工程菌提供与培养基相媲美的培养条件以及支撑和保护作用。最终制备得到的3D打印载菌明胶/海藻酸钠复合水凝胶能在受到电离辐射时产生绿色荧光，实现环境电离辐射的报告。本研究采用的生物3D打印水凝胶技术为工程菌实现环境监测应用提供了新的策略，为环境电离辐射监测提供了一种新的方法。

图1 辐射响应工程菌装载的3D打印明胶/海藻酸钠复合水凝胶设计原理图

图2 辐射响应质粒和工程菌的构建及表征。(a) 辐射响应质粒pEC-PrecA::egfp构建流程示意图；(b) 辐照前后辐射响应工程菌的荧光显微镜成像。EC-1：DH5α为底盘菌株的辐射响应工程菌；EC-2：BL21为底盘菌株的辐射响应工程菌；EC-3：野生型大肠杆菌（ATCC25922）为底盘菌株的辐射响应工程菌

图3 明胶/海藻酸钠复合水凝胶3D打印效果。(a) 挤出式3D打印示意图；(b) 3D打印时不同温度下的挤出丝状态（图中以HGA为例）；(c) 不同配方复合水凝胶不同层数的3D打印效果；(d) HGA不同形状的3D打印效果。LGA：低浓度明胶/海藻酸钠水凝胶（5%明胶，1.25%海藻酸钠）；LGAC：低浓度明胶/海藻酸钠/纤维素纳米晶水凝胶（5%明胶，1.25%海藻酸钠，0.25% 纤维素纳米晶）；HGA：高浓度明胶/海藻酸钠水凝胶（10%明胶，1.25%海藻酸钠）；HGAC：高浓度明胶/海藻酸钠/纤维素纳米晶水凝胶（10%明胶，1.25%海藻酸钠，0.25% 纤维素纳米晶）

图4 载工程菌的3D打印复合水凝胶的荧光强度。(a) 载EC-4的3D打印HGA的共聚焦显微镜成像；(b) 辐照前后辐射响应工程菌装载的3D打印明胶/海藻酸钠复合水凝胶的共聚焦显微镜成像。EC-4：可组成型产生绿色荧光的大肠杆菌工程菌，作为阳性对照