南京工业大学余子夷CEJ:酿酒酵母能打印?利用新的生物墨水构建催化活体材料

3D打印科研前沿
2022
05/27
09:17
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来源:EngineeringForLife


生物3D打印是通过增材制造的方式将生物材料、细胞和其他组分构建成复杂的三维活性组织的一种先进制造方式。相比于传统方法,生物3D打印可以精确控制目标物体的形状、结构及细胞在空间中的位置和相互作用,更好的模拟组织或器官的生理结构及功能,实现活性组织的定制化设计,被视为广泛应用于组织工程、器官再生的新兴技术。近些年来,微生物工程用于生产各种不同应用的材料已取得一定成果,但以任意模式和形状来构建三维活体功能结构仍是很大的挑战。因此,结合生物3D打印技术构建含有微生物的功能性“活体”材料为其开辟了新的空间。通过精确操纵构建具有功能性和可编程性的微生物功能材料,不仅能够优化空间结构,加强对微生物种群3D结构的控制,而且可以改善系统的整体性能,实现更复杂,可扩展的功能结构,进一步扩大了绿色生物制造的应用场景。
  
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图1 颗粒凝胶作为生物墨水的3D打印示意图

最近,南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的余子夷团队在Chemical Engineering Journal上发表题为“Biocatalytic living materials built by compartmentalized microorganisms in annealable granular hydrogels”的研究论文,报告了一种利用酿酒酵母作为功能活性物质,采用颗粒凝胶对其进行负载的进行生物3D打印体系。这类新的生物墨水构建活体材料分为三个阶段(图1):首先是设计和发展一种微流控技术手段,实现负载酿酒酵母的颗粒凝胶制备;再利用挤出式生物3D打印设备(EFL团队提供)构建纳-微两级的多孔支架结构;最后通过钙离子交联形成退火的稳定结构,在酿酒酵母代谢层面考察活体材料的催化性能。在这项工作中,通过对酿酒酵母的3D生物打印,证实了颗粒凝胶生物墨水构建可控生物活体材料的能力,提高了微生物的催化效率,显示了生物活体材料在未来变革性技术领域的潜力。

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图2 颗粒凝胶的制备和流变表征

在这项工作中,研究者们首先探究了如何采用颗粒凝胶负载酿酒酵母颗粒凝胶的过程。在这一过程中,先合成了巯基化海藻酸钠和超支化聚乙二醇二丙烯酸酯,再采用流动聚焦微流控装置制备了以这两种高分子为主要组分的微液滴,基于迈克尔加成反应形成了分子间共价键,实现了酿酒酵母细胞的固定。

负载酵母细胞的颗粒凝胶在“阻塞”状态下具有明显的剪切稀化特性,在剪切过程中表现出类似液体的流动能力,可作为新型的生物墨水进行3D打印。通过循环扫描应变实验可以看出,颗粒凝胶通过一系列高和低应变测试,展示了动态应变中从类固体(G'>G'')到类流体(G'
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图3 “阻塞”颗粒凝胶的3D打印

图3的实验结果证实了颗粒凝胶具有良好的可打印性,挤出后的颗粒凝胶呈现紧密堆积形态。通过钙离子介导的二次交联使颗粒凝胶间能够连接形成整体结构,改善了结构的长期稳定性。颗粒凝胶成功打印出完整的网格结构,具有良好的支撑性和多孔结构。通过扫描电子显微镜和共聚焦显微镜对其形态进行表征,可以看出颗粒凝胶支架展现了良好的分级多孔结构,有利于营养物质的运输和细胞生长。

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图4 颗粒凝胶支架的生物催化测定

进一步,研究人员基于酿酒酵母细胞的代谢过程,考察了活体材料中的细胞活性,探究了负载酵母细胞的块状凝胶与网格凝胶的发酵效果。如图4所示,通过12 h的孵育,多孔网格显示出酵母细胞的生长和增殖,具有良好的生物相容性。酿酒酵母的代谢结果表明,与块状凝胶相比,3D多孔网格中的酵母产生的乙醇增加了1.5倍,具有更高的催化效率和可重复使用性,解决传统块状凝胶传质不充分的问题,优化了生物反应器的传质特性,实现了生物催化过程的强化。

综上所述,该工作利用液滴微流控技术制备了可固定酿酒酵母细胞的颗粒凝胶,通过与挤出式3D打印技术相结合,能够调整菌株的空间配置,不需要对微生物进行限制,具有很强的兼容性,实现了多孔微载体制备和可控支架结构的构建,为生产基于微生物的功能材料提供新的途径,并在生物修复、生物传感应用中展现出巨大潜力。

该工作得到了国家重点研发计划(2021YFC2104300)、国家自然科学基金(21901117,32111530117)、江苏省自然科学基金(BK20190674)和材料化学工程国家重点实验室基金(KL20-02)的支持。

文章来源:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136822




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