工程化活体材料与 3D 生物打印融合：现状、挑战与展望

来源：EFL生物3D打印与生物制造

工程化活体材料（ELMs）是一类新兴的生物杂交材料，具有基因可编程功能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，要将其转化为实际产品和工程解决方案，需要与制造技术有效整合，而目前在这一整合过程中面临诸多挑战，例如生物墨水设计困难，难以兼顾3D打印性和细胞兼容性，以及对ELMs中活细胞与非活基质之间相互作用的理解不足等问题。

来自德克萨斯大学阿灵顿分校的Kyungsuk Yum教授团队，综述了3D生物打印的研究进展。他们探讨了当前3D生物打印与ELMs交叉领域的发展状况，涵盖了多种3D生物打印方式在ELMs构建中的应用。团队提出了在该领域未来发展的关键观点，包括深入理解ELMs中活细胞与非活成分的相互作用以优化生物墨水设计、将合成生物学融入生物打印流程、利用微生物生长作为打印后制造工艺以及整合形状变形材料实现ELMs的4D打印等。相关工作以 “Integrating Engineered Living Materials with 3D Bioprinting” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

1. 3D生物打印工程化活体材料。图1展示了用于制造工程化活体材料（ELMs）三维结构的四种3D打印方式，分别是挤出式3D打印、在支撑浴中嵌入式3D打印、数字光处理3D打印和体积3D打印，并对比了它们在打印过程、速度、分辨率、材料兼容性、优缺点等方面的差异。同时列举了不同打印技术搭配的生物墨水、打印后交联方式及微生物细胞实现的功能。

图1. 用于制造ELMs三维结构的3D打印方式：呈现四种打印方式的示意图，直观展示各自的工作原理，如挤出式3D打印通过挤出生物墨水细丝逐层构建，嵌入式3D打印将生物墨水打印到支撑浴中等。

2. 挤出式3D生物打印。详细介绍挤出式3D打印过程，包括生物墨水从喷嘴挤出、沉积形成结构，以及打印后交联稳定结构。强调设计此类生物墨水面临的挑战，如平衡打印性与细胞兼容性的难题，引出具有剪切稀化和自愈合特性的凝胶相生物墨水这一解决方案，还介绍了通用生物墨水平台等策略。

图2. 挤出式3D打印：对比凝胶相和液相生物墨水，展示凝胶相生物墨水的剪切稀化（受应力时从固态转变为液态便于挤出）和自愈合（挤出后恢复固态维持形状）特性，以及使用通用易逝网络生物墨水进行3D打印的流程。

3. 在支撑浴中嵌入式3D生物打印。阐述在支撑浴中嵌入式3D打印是制造ELMs的3D构建体的另一种选择，它将生物墨水打印到屈服应力介质（支撑浴）中，降低了生物墨水的流变学要求，利于制造复杂结构，还能通过移除打印细丝创建具有通道的结构，以木醋杆菌制造细菌纤维素结构为例说明。

图4. 在支撑浴中嵌入式3D打印通过木醋杆菌原位生物合成细菌纤维素来制造细菌纤维素结构：展示支撑介质（聚四氟乙烯微粒）的微观图像、打印过程示意图、打印的三维模型和实际结构，以及打印后细菌纤维素的形成和结构特点。

4. 基于光的3D生物打印。介绍数字光处理（DLP）3D生物打印技术，它利用图案化光选择性交联光敏液体生物墨水，实现高通量和高分辨率打印，但对生物墨水要求高。展示了DLP打印构建ELMs的案例，如打印含大肠杆菌的结构及细胞在其中的生长情况。

图5. ELMs的数字光处理3D生物打印：呈现3D打印网格结构的图像，以及表达绿色荧光蛋白（GFP）的大肠杆菌在不同水凝胶基质中随时间的荧光强度变化数据，直观反映打印结构和细胞生长状况。

5. 体积3D生物打印。体积3D打印是新兴的基于光的打印技术，能同时生成整个3D物体，具有快速、可扩展等优点，但需大量生物墨水。体积生物打印（VBP）在此基础上发展而来，可与在支撑浴中嵌入式3D打印集成，制造多材料构建体。

图6. 体积3D打印：展示顺序悬浮浴打印（嵌入式打印）和体积打印的流程，以及多材料构建体的示意图和实际打印构建体的图像，呈现其制造过程和结构特点。

6. 3D打印活体构建体的打印后生长作为一种制造过程。以真菌菌丝体水凝胶的3D打印为例，说明将微生物生长纳入3D生物打印后，打印构建体可随时间生长和演化，菌丝生长能填充间隙、强化结构，还赋予构建体自我愈合能力。

图8. 3D打印活体构建体的打印后生长：展示3D打印活体菌丝结构的生长策略（如根据营养状况选择不同生长模式）、不同生长天数的结构变化、横截面图像，以及菌丝自我愈合的显微镜图像。

7. 形状变形材料与ELMs的3D生物打印的整合。介绍将形状变形材料与3D生物打印结合实现4D打印，可创建具有自适应和动态形态的活体构建体。展示了多种4D打印方法及在ELMs中的应用，如利用微生物细胞增殖实现形状变形。

图9. 4D打印：展示基于挤出的仿生4D打印原理（通过控制纤维素纤维排列实现各向异性膨胀和变形）及生成的复杂花状形态，以及数字光4D打印通过2D材料编程实现3D成型的过程。

图10. 将形状变形材料与ELMs的3D生物打印相结合：使用ELMs中的微生物细胞作为驱动形状转变的活性成分进行4D打印：呈现酵母细胞增殖诱导ELM体积膨胀和形状变形的过程，以及多材料形状变形ELM的打印和变形情况。

结论
本研究表明，工程化活体材料（ELMs）与3D生物打印的融合，能够创造出具有定制几何形状和可编程功能的活体构建体，为3D打印带来新的制造能力。二者的结合将ELMs的生物可编程性与3D打印结构的几何驱动功能相结合，显著拓展了技术应用范围，推动“活体”增材制造范式的发展，使打印构建体能够像生物有机体一样，对外界环境做出生长或进化的反应。在生物医学、环境和工业生物制造等领域，3D打印的ELMs已展现出增强的功能，显示出巨大的应用潜力。然而，要实现其实际应用，仍需解决维持细胞活力和确保生物安全性等关键挑战。未来，合成生物学、材料科学和3D生物打印领域的跨学科合作，对于克服这些挑战、充分释放3D打印ELMs的潜力至关重要 。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202500934