利用海藻酸钠水凝胶中产纤维素纳米纤维细菌进行自增强活性材料的3D生物打印

本研究提出了一种创新的部分交联生物打印策略，通过将产细菌纤维素（BC）的木醋杆菌（Komagataeibacter xylinus）嵌入海藻酸钠（SA）水凝胶，成功构建了具有自增强特性的活性支架。该技术通过预交联SA定义结构轮廓，并填充未交联的细菌负载生物墨水，实现了高精度打印与原位BC纳米纤维合成的协同，为生物医学和组织工程提供了功能化工程活性材料（ELMs）的构建平台。

　　

INTRODUCTON

生物制造领域中快速兴起的工程活性材料（ELMs）是通过将活细胞或微生物嵌入合成基质中形成的复合系统。在ELMs中，微生物细胞（主要为细菌）通过生成新材料、调节支架理化特性或执行传感/药物释放等功能任务发挥主动作用。水凝胶作为ELMs的常用软基质，具备高含水量的三维网络结构，可为微生物提供栖息地并支持其代谢活动。其中，海藻酸钠（SA）因其优异的生物相容性、温和的凝胶化条件和可调节的流变特性而成为理想载体。

Bacteria Culture and Bacteria embedded Hydrogel Preparation

木醋杆菌（Komagataeibacter xylinus，ATCC 53534）购自美国模式菌种收集中心。使用含5 g/L蛋白胨、5 g/L酵母提取物、2.7 g/L Na₂HPO₄和1.15 g/L柠檬酸的标准液体培养基（ATCC 1717）进行培养，pH值用盐酸调节至5.0。培养基经121°C高压灭菌后接种细菌，并在30°C下以150 rpm振荡培养48小时。将细菌悬液与不同浓度（2%、4%、6%、8% w/v）的SA溶液按1:9比例混合，最终菌液浓度调整为10⁷ CFU/mL。

Macroscopic Appearance of BC in SA

通过在12孔板中培养12天观察SA水凝胶内BC的宏观形成状况。所有组别均产生圆形BC薄膜，但表面形态存在显著差异：2% SA组形成的BC层更致密且不透明，而8% SA组则呈现半透明且不均匀状态。这表明较高浓度的SA会限制氧气和营养物质的扩散，进而影响细菌代谢活性和纤维素产量。

Discussion

BC纳米纤维主要在静态条件下的气-液界面处生成，该过程需要充足的氧气、营养供给和代谢活性。在3D打印语境中，水凝胶需同时维持细菌活性和结构保真度。本研究通过部分交联策略突破了传统技术的局限：预交联框架提供机械支撑，未交联内芯则为细菌创造适宜代谢环境，实现了打印精度与生物活性的协同优化。

Conclusions

本研究成功开发出基于细菌接种水凝胶的3D打印自增强ELMs。通过打印预交联外框架并填充细菌负载的未交联藻酸盐，该方法既能实现精细的支架成型，又保持了原位合成BC纳米纤维所需的微环境。通过因子实验设计，系统评估了SA浓度和培养时间对纤维素产量、流变特性及机械性能的影响，为构建功能化BC基活性材料提供了可靠平台。