综述：3D打印辅助微生物合成助力碳中和：策略与应用

（编辑推荐）本综述系统阐述3D打印（3DP）技术在微生物合成领域的革新应用，通过构建工程活性材料（ELMs）优化生物反应器三维结构，突破传统CO2减排技术（如微生物光合作用、MET等）的产量与成本瓶颈，为碳中和目标提供创新解决方案。

　　

技术革新：3D打印重塑微生物合成范式

传统微生物合成技术如微生物光合作用、微生物电化学技术（MET）和酶固定化，虽在CO₂减排领域具有潜力，却受限于低产量、高成本及传质效率低下等问题。3D打印（3DP）技术的介入，通过精准构建三维多孔结构的工程活性材料（ELMs），显著提升微生物载体的稳定性和底物扩散效率。例如，定制化打印的网格状生物载体可使比表面积增加300%，直接促进光合微生物对CO₂的捕获速率。

核心应用：从材料设计到反应器优化

在ELMs制备中，3DP技术实现了活体微生物与聚合物基质的空间可控复合。聚己内酯（PCL）-藻酸盐混合打印的载体，既能维持蓝细菌长达28天的活性，又通过仿生血管通道设计优化O₂/CO₂交换。对于微生物电化学系统，石墨烯基3D打印阳极使产电菌生物膜密度提升5倍，将MET的电流输出提高至8.7 A/m³。更突破性的是，可溶解牺牲层打印技术制造的微流控芯片，实现了酶固定化反应器的原位重构，使催化效率较传统包埋法提高60%。

碳中和场景下的系统整合

针对碳中和技术路线，3DP辅助的合成系统展现出多维优势：

1. 1.

   直接空气捕获：装载固碳菌株的蜂窝状ELMs模块，在模拟大气条件下CO₂固定速率达4.2 g/(m²·d)；

2. 2.

   废弃物转化：集成产甲烷菌的梯度孔隙反应器，使厨余垃圾甲烷产率提升至0.38 L/g VS；

3. 3.

   能源协同：3D打印的微生物-光电耦合系统实现12.3%的太阳能-to-化学能转化效率，较平板反应器提高7倍。

挑战与未来方向

当前技术瓶颈包括生物墨水机械强度与细胞活性的平衡（强度>50 kPa时存活率下降40%）、多材料打印的界面相容性问题等。未来研究需聚焦于：开发动态响应型智能材料以适应微生物群落演变；建立基于机器学习的三维结构-代谢通量预测模型；探索太空微重力环境下3D打印生物反应器的特殊应用。这些突破将加速该技术从实验室走向万吨级碳封存工程。