生物设计：利用生物光刻技术打造创新平台，用于生产基于细菌纤维素的微针

《Biotechnology Design》：BioDesign: Harnessing the power of Biolithography to create an innovative platform to manufacture Bacterial Cellulose-based Microneedles

　　

摘要

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细菌纤维素是一种新兴的生物衍生材料，处于生物技术、材料科学和生物设计领域的交叉点。它通过在气液界面由微生物合成而产生，具有高纯度、机械强度高以及可编程生长等独特特性，因此非常适合用于基于生长的制造方法。本演示介绍了一种以生物设计为导向的微成型策略——即生物光刻技术，该技术利用细菌纤维素的天然生长路径，通过一步式、低能耗的过程来制造复杂的微结构架构。

生物光刻技术利用了置于液体培养基上的聚二甲基硅氧烷模具的易图案化特性和氧气渗透性。这些模具既允许氧气扩散，又能作为具有预定几何形状的物理屏障，从而使细菌在模具与培养基的交界处合成并自组装出细菌纤维素膜，无需后续处理或减法制造即可精确复制微观结构。利用这种方法，我们展示了完全通过引导式生物生长来制备基于细菌纤维素的微针——这类微针属于新兴的微创透皮给药系统。

我们设计并评估了多种微针几何结构，包括1000微米和500微米的金字塔形及圆锥形结构，体现了该方法的几何多样性及可重复性。除了天然的细菌纤维素微针外，我们还通过一种将改良培养基与合成后的矿化处理相结合的设计集成矿化策略，制备出了生物矿化版本的微针。这一过程使得微针表面形成均匀的矿物层，进而提升了其机械强度和穿透能力。

本演示采用多站点探索的形式，通过与生物材料的互动来进行生物设计，而非纯粹的自上而下的制造模式。各个站点将引导参与者依次体验数字设计展示（TinkerCad参数模型）、3D打印的母模、PDMS复制品、实时的细菌纤维素微针生长系统，以及一个对比样品站，其中包含湿润和干燥状态的微针（天然状态、原位生物矿化状态以及体外矿化状态）。功能测试站点则让参与者能够实时观察微针在Parafilm M层中的穿透情况、再水合动力学以及药物输送效果（罗丹明B在琼脂糖凝胶中的扩散情况）。总体而言，这项工作将细菌纤维素生物光刻技术定位为一种可扩展、可持续且具有高度材料表现力的平台，适用于未来的生物制造和生物设计应用。

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