3D生物打印技术构建动植物细胞杂化食品：可持续食品工程的新范式

本研究通过开发全自动混沌生物打印系统，结合肯尼克斯静态混合器(KSM)打印头，成功制备出含30-40%微藻(Chlamydomonas/Chlorella)和60-70%肌肉细胞(C2C12/鸡成肌细胞)的杂化面条。该技术实现了细胞层状结构的精确排列，并验证了其营养含量、烹饪特性及规模化生产潜力，为可持续食品制造提供了创新解决方案。

　　

随着全球人口增长和资源压力加剧，传统畜牧业面临土地占用、温室气体排放等可持续性挑战。细胞农业(Cellular agriculture)作为新兴领域，通过体外培养动植物细胞生产食品，但现有技术难以实现复杂组织结构和营养均衡。微藻(Chlamydomonas/Chlorella)虽富含蛋白质、维生素和抗氧化剂，其食品应用多局限于添加剂形式；而培养肉生产则面临血管化不足、质地调控困难等问题。

哈佛医学院Yu Shrike Zhang团队在《Nature Communications》发表研究，开发了基于混沌生物打印(Chaotic bioprinting)的动植物细胞杂化食品制备技术。通过定制化挤出系统集成三元件KSM打印头，将微藻(1mAlg-5Gel生物墨水)与肌肉细胞(2lAlg-5Gel生物墨水)以层状交替排列，构建出机械强度达0.95 kPa、含30-40%植物细胞的杂化食品。流变学分析显示该生物墨水在36°C具有凝胶特性，屈服应力优化为1.5 mL/min流速下保持结构稳定性。

关键技术包括：(1)自动化混沌生物打印系统实现12 g/min通量；(2)CaCl₂/微生物转谷氨酰胺酶(mTG)双网络交联；(3)3:1 DMEM/TAP共培养体系维持细胞活力>95%；(4)机械测试评估烹饪前后质地变化；(5)免疫荧光染色验证肌球蛋白(MYH2)和α-肌动蛋白表达。

生物墨水设计与表征
通过海藻酸钠(Alg)与明胶(Gel)复合生物墨水设计，1mAlg-5Gel和2lAlg-5Gel分别在33.5°C和35.2°C形成凝胶，振荡应力测试显示后者屈服应力更高(>2000 Pa)，确保打印稳定性。

3D混沌生物打印

采用三元件KSM打印头在4 mm/s进给速率下，成功制备含8层交替微结构的杂化面条(单层120-140 μm)，荧光标记显示细胞分布均匀性。

细胞相容性与分化
共培养21天后，C2C12细胞增殖率提升15%，乳酸脱氢酶(LDH)活性降低，证实微藻光合产氧缓解缺氧压力。肌球蛋白免疫染色显示分化后细胞沿面条纵轴排列，杨氏模量从0.26 kPa(煮沸)增至1.27 kPa(烘焙)。

营养与烹饪特性
营养分析表明杂化面条每100g含13.1 kcal、2.14g蛋白质，与纯细胞面条无显著差异。压缩测试显示其弹性应变范围10-60%，具备类似真实食物的力学响应。

该研究开创性地将混沌生物打印应用于食品工程，突破传统培养肉与植物蛋白的局限。通过微藻-肌肉细胞协同培养，不仅实现营养互补，其层状结构设计为定制化食品质地提供新思路。未来通过优化生物墨水组分(如添加脂肪细胞)和扩大培养规模，有望推动该技术向工业化生产迈进。研究提出的"光合共生"概念，即利用微藻产氧促进哺乳动物细胞存活，也为组织工程提供了跨学科借鉴。