Science Advances：細菌與3D打印的融合之美

細菌這個東西我們對它是又愛又恨啊，因為它既能引發疾病但是又能為我們的生活帶來很多不同的樂趣，像我們必須要舔的酸奶蓋上面的酸奶（畢竟喝酸奶不舔酸奶蓋的都是土豪），奶酪，醬油，泡菜，醋等發酵食品都離不開細菌的作用；不僅如此，細菌還能助力于醫療事業，如分泌抗生素如鏈霉素等；還能分解各種泄露的有害化學有機物，例如嗜甲烷菌，惡臭假單胞菌。所以說細菌對人類的活動還是有很大影響的，壞的要抵制，好的當然是要好好利用起來啦。當然，大家也看到標題是寫著細菌跟3D打印的結合，那到底他們是怎么融合產生不一樣的美呢？我們都知道3D打印技術的出現大大縮減了制造工業的時間和材料成本，它可以直接通過計算機數字模型文件打印出所需要的模型而不需要進行模具制備和機械加工就可以實現產品的生產。目前3D打印機已經可以打印出服飾，建筑模型，汽車制造和醫療器械，組織工程支架和器官等等。所以，只要你在計算機動動你的手指設計好你想要的模型文件，調配好打印材料之后就能夠打印出你想到的模型啦。

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好了，科（luo）普（suo）了一大堆，真正的重點終于要來了，大家趕緊擺好姿勢，拿好手機，開始敲重點了！這個細菌到底怎么整到3D打印機里面去呢？整進去的是活的細菌還是已經去見了上帝的細菌呢？怎么能夠讓細菌在3D結構發揮他的最完美功效呢？來自復合材料實驗室的負責人André R. Studart教授領導的一組蘇黎世聯邦理工學院（ETH）研究人員就發表了一篇Science Advances文章，來為我們解答他們是怎么樣得到最優化的細菌衍生的多功能材料用于3D技術印刷出不一樣功效的3D結構材料。

大家來猜猜細菌是放到打印機的那個位置里面產生作用的呢？通常我們看到的那些霉菌和真菌是不是都長在那些富含水分和營養物質的東西上面的，所以細菌最有可能存在的地方相信大家都了解了吧，就是墨水啦。那這個細菌墨水要怎么做才能達到我們所想要的效果呢，André R. Studart教授帶領的研究人員真的是花費了好大一番功夫來驗證呢。首先就是要選用合適細菌生長的基材，想要馬兒跑又想要馬兒不吃草那是不可能的，作者選用的可以保證細菌生長和代謝的水凝膠是由無毒的透明質酸（HA）、長鏈糖分子（κ-CA）和熱解硅石（FS）構成的，再將細菌的培養基混合到水凝膠中，使其具有細菌生存的所有先決條件。同時水凝膠還需要達到一個要求，那就是達到無畸變且精確3D打印結構的油墨的流變性要求，即水凝膠的粘性和彈性都要達到標準才可以。

選好基材之后就開始調制最合適的水凝膠比例啦。團體發揮作用的前提了解個體的特性，揚長補短才能真正形成一個強大的團體。因此，研究人員就先測試單個組分的流動反應特性，如粘彈性，剪切稀化和屈服應力。在各種剪切速率下，三種組分材料都表現出剪切稀化和粘度行為，而且材料也沒有出現滯后現象，說明材料具有很好的恢復能力。通過振幅測試可以得到重量含量為1wt%的κ-CA低應力下主要表現為彈性，而在臨界應力則表現為粘性，而在臨界剪切應力的作用下主要形成一個網格，類似的1wt%的FS溶液能觀察到一個不是很明顯的網格，相反的，1wt%的HA則主要表現出粘性行為。將3個重量含量相同的個性不一的物質組合到一起之后是不是會表現出強強聯合的功效呢？作者將它們組合之后并探究得出三個物質的質量含量比例為1：1：1的話就達到了最優的性能，簡直是一箭中的（哈哈，當然這里面是有很多我們所看不到的艱辛才能呈現出最理想的狀態啦）。在保證剪切稀化的前提下，提高固定比例的質量含量（固定1：1：1比例的1wt%的質量含量提升到2wt%或者3wt%）可以得到更高的粘度和彈性。

萬事開頭難，只要踏出了第一步，那你就成功了一半。雞湯嘛，總是要鼓舞人心的，要不然怎么叫毒雞湯，嘿嘿~所以成功的另一半仍然需要做出非常多的努力啊。這不，作者調配好的水凝膠就得開始接受考驗了。為了更接近地模擬印刷過程中作用于油墨上的時間尺度和機械力，作者將高的和低的剪切速率循環應用于不同組成濃度配方制備出來的水凝膠。結果證明所有模擬的油墨即使經過多次循環，粘度也能立即恢復說明這個水凝膠真是一個粘人的小妖精呢。彈性性能的測試是通過在恒定振幅和頻率下的振蕩時間掃描用穩態的70 s^{- 1}剪切步驟打斷之后繼續進行第二圈振蕩測量。可以看到所有油墨的彈性模量在1秒內幾乎完全恢復，說明這個油墨是非常Q彈了呢。如果油墨總濃度等于或高于6wt%，水凝膠的粘彈性就能迅速恢復，避免了3D打印后重壓之下引起的流動變形。此時，油墨的恢復存儲模量為1KPa，可以支撐油墨細絲跨越大于自身直徑3倍的距離。

除了具有高度的儲存模量和快速的彈性恢復外，擠壓后的屈服應力對于防止毛細力引起的打印變形也是至關重要。振動測量結果表明，太低濃度的3wt%的油墨只有20pa的屈服應力，是保持不住結構的，而濃度達到4.5 wt %以上的功能性油墨屈服應力大于100 pa，還提供了能快速恢復約1kpa的彈性模量，可以作為3D打印油墨，此外還能包裹細菌。所以，油墨基材的配方也不是那么好配滴，不歷經九九八十一難，也得過五關斬六將才能達到第一座成功的小山峰。

配好基材之后，其次就是融合細菌和基材了。細菌到底能不能發揮作用首先得看細菌能不能在油墨成分中存活，所以作者利用染色之后的不同濃度的枯草芽胞桿菌和惡臭假單胞菌來跟蹤驗證打印方法的通用性。結果果然不出意料，證明3D打印可以結合各種功能的細菌一起共同作用。其次就是看細菌能不能在這個結構中存活和繁殖下去，要是細菌不能存活和繁殖，那么這個打印機就是一個普通的3D打印機而已了。作者選的基材還是非常對細菌的胃口的，因為細菌在這些基材中都繼續快樂的生長和繁殖呢。再曬曬紫外線，看看油墨中的一些自由基是否會對細菌造成傷害，結果細菌還是很頑強的能夠繼續生長與和新陳代謝。

為了獲得具有彈性的自支撐結構，可以利用化學改性甲基丙烯酸縮水甘油酯HA(GMHA)取代原先的HA。而且HA與GMHA的交換沒有大幅度改變水凝膠的粘度,它還允許將水凝膠在低照射劑量和無害波長的紫外線下交聯，形成不溶于水的凝膠，這小小的變動就能發生天翻地覆的變化，化學的奧妙真的是匪夷所思啊。這種不溶于水的凝膠具有足夠強的機械強度可在各種介質中浸泡和膨脹，從而提供結構支架所需的高機械穩定性。該交聯水凝膠在細菌培養基中膨脹1.5倍，而在水中則膨脹一倍。就像一方水土養一方人，水凝膠的溶脹受水凝膠和周圍水介質中離子濃度差異的影響。因為功能性油墨是用含有高鹽度，大的滲透壓來吸收的細菌發酵液配制而成，當打印出來的物體被放置在超純水中時，水凝膠會膨脹。但是換另外一種方式把打印結構浸到細菌培養基里的時候就只發生了離子交換。這順序換一換之后得到的可就是不一樣的結果了呢，多以大家以后做事情的時候就可以多倒騰幾下，說不定一個不小心，新大陸就被你發現了呢。

終于，醞釀了這么久，我們終于可以來感受一下真正把細菌固定在3D打印材料中的魅力了。作者分別采用可消滅化學有機物苯酚的惡臭假單胞菌和能產生纖維素的木醋桿菌來驗證這個優異性能的細菌3D打印技術。首先，將惡臭假單胞菌固定在化學改性的水凝膠通過編程3D打印出自由形貌的幾何體結構。測試之后發現功能性仿生結構將對環境有害的苯酚轉化成生物質，得益于網格結構的高比表面積使得固定細菌與液體培養基之間的最大化接觸。這都是通過光密度來測定釋放細菌的濃度，紫外可見吸收光譜來檢測有害物質的濃度，分析細菌降解的時間來確定的。一套檢測下來就能把細菌怎么消滅有害物質的過程清清楚楚的呈現在我們的眼前，通過結果就可以說明部分固定化細菌被釋放到培養基中之后就像是惡虎歸山，碰到最鐘愛的食物（苯酚）就會大口吃掉吃掉，食物消耗完了，那細菌就停止生長了。那主要的作用到底是被釋放出來的細菌呢還是固定在結構網格中的細菌呢？作者的心思可是非常的縝密了，通過進一步的對比實驗可以得出支架表面的固定的細菌也有發揮了它的作用的。在驗證實驗中還有不一樣的發現，那就是網格培養基細菌的快速降解動力學是能夠與液體培養基中的細菌相媲美的，黑貓白貓都是能夠抓到老鼠的好貓呀，當然，這只貓的具體生長情況是怎么樣的，作者也通過染色實驗來驗證它們的DNA，表明細菌遍布 整個培養基中。哎，那這些結果不是表明細菌的生長和新陳代謝可以發生在我們所想要設計的任意固定打印結構中了嗎？是的，事實就是如此，作者露出了慈母般的笑容。

只有一個例子當然不能說明這種材料的優越性啦，所以作者又展示了另外一個實例來驗證。那就是通過合并細菌來增加打印結構功能，即結合木醋桿菌分泌的纖維素打印出具有潛在生物醫學應用前景的機械健壯的復雜形狀的3D結構，例如皮膚修復和器官移植。想想就覺得激動，我們人體組織這么復雜，但是通過計算機編程控制，再復雜的結構都是能夠被打印出來，那對于人類創后治療可是具有非常大的意義啊。作者就加快腳步的通過掃描和染色分析了包裹有木醋桿菌的3D結構所分泌的纖維素主要取決于接觸到的氧氣濃度和油墨的粘度，控制好這個比例之后就可以優化細菌衍生纖維素關于膜的制備和包覆生產工藝。優化工藝就是得經過一系列的實驗去驗證最好的條件，金子這么金貴，想要拿到得經過千萬里淘沙才能淘得到啊。所以又是一大批的實驗驗證之后得出水凝膠中間組分為4.5wt%的時候，細菌生成高度鏈接的細菌纖維素網絡可以保證足夠高的彈性和屈服應力來保證精準的印刷。

實踐才能出真知嘛，作者就使用了一個定制的可在任意非平面表面掃描和打印的四軸對稱3d打印機，將載滿木醋桿菌的水凝膠沉積在一個人臉模具的基底。用纖維素特異性熒光染料直接顯影后可以看到細菌纖維素是在最佳生長條件下(在30°C高濕度下培養4天)生成。在人臉的前額部分，由于水凝膠的厚度比眼睛、鼻子和嘴巴周圍的厚度要薄，所以可以看到較少的纖維素形成。普通同慶啊，歷經千辛萬苦終于做出了所想要的成果，撒花撒花~由此還可以看出基于細菌纖維素作為皮膚替代品和和器官移植的組織包膜，可能形成的所需的三維形狀細菌纖維素使我們能夠將脫細菌之后的纖維素應用于任何我們感興趣的部位，像皮膚移植，肘關節和膝蓋等部位。不僅如此，纖維薄膜的生長具有復雜的幾何結構，與人體的部位正好匹配，還能防止損害愈合過程的皺紋形成和污染物的夾帶。那意味這只要在我們需要的部位部署好細菌之后，通過3D打印就能夠為醫學應用做出巨大的貢獻了。

所以人類的創造力是無限的，只要敢想敢做，很多事情都是不在話下，就像這個細菌3D打印機，堪稱跨越學科的經典啊。后續更多的跨學科融合之美等著大家去發現喔~

參考文獻：Schaffner, M., Rühs, P. A., Coulter, F., Kilcher, S., & Studart, A. R. 3D printing of bacteria into functional complex materials. Science advances, 2017,3(12), eaao6804.

文章鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao6804

本文由LLLucia供稿。

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