综述：基于微藻的工程化生物材料的体积三维打印

《TRENDS IN Biotechnology》：Volumetric 3D printing of microalgae-based engineered living materials

　　

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摘要

〈div id="sp0015" role="paragraph">在他们的研究中，Windisch等人展示了将体积3D打印技术成功应用于基于光合活性绿色微藻的工程化活材料（ELMs）的性能。他们解决了与含细胞材料中的光散射和吸收相关的关键制造挑战。他们的研究扩展了几何形状复杂的ELMs的制造工具箱，并强调了体积打印作为开发功能性光合活材料的一种有前景的方法。

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正文

〈div id="p0005" role="paragraph">工程化活材料（ELMs）是一个新兴领域，它结合了生物学、材料科学和工程学的原理，创造出包含活细胞或生物系统的材料。通过将生物体的动态能力与工程材料的结构特性相结合，ELMs为开发更智能、更具适应性和环境可持续的材料提供了有前景的方法。在此背景下，细菌和真菌等微生物由于其多样的代谢活动和能力而成为特别有吸引力的生物成分。例如，基于细菌纤维素的活材料利用Komagataeibacter rhaeticus和工程化Saccharomyces cerevisiae的共培养实现了能够感知和响应化学和光学刺激的系统。此外， blue-green algae（蓝细菌）也被纳入系统，以生成能够响应环境刺激的光合材料。转向真菌系统，已经开发出能够生长、再生和环境感知的工程化真菌-细菌生物复合材料，这表明了生物体在提供结构和生物功能方面的潜力。

〈div id="p0010" role="paragraph">3D打印是制造ELMs的一种特别有前景的技术，因为它能够精确地定位活微生物在预定义的3D结构中。特别是基于挤压的打印技术是最广泛使用的增材制造技术之一，因为它具有多功能性、相对简单的加工过程，并且与多种含细胞材料兼容。作为基于挤压的ELMs制造的开创性例子，Studart及其同事开发了一种3D打印方法，其中含有Ganoderma lucidum真菌的水凝胶被打印成网格结构，为随后的菌丝生长提供了适宜的环境（图1A）。3D打印的基于菌丝的材料能够自我修复、再生并适应环境，同时保持机械功能。这一概念进一步通过制造能够承受机械应力并在受损后自主再生的基于菌丝的机器人皮肤得到了证明，强调了将3D打印的结构精度与活真菌网络的适应性和再生能力相结合的潜力。最近，微藻也作为ELMs的有前景的生物成分出现，尤其是在与互补微生物和先进的3D打印策略结合时。例如，同轴3D生物打印被用来在核壳水凝胶中空间组织微藻和细菌，创造出局部厌氧微环境，从而增强光合作用产氢。这项工作展示了结合微生物共生与空间控制的3D结构来开发具有增强和特定应用功能的ELMs的潜力。然而，尽管基于挤压的打印具有多功能性和广泛的适用性，传统的挤压方法仍然受到相对较低的打印速度、中等的空间分辨率以及在制造高度复杂的3D结构方面的挑战的限制。这些限制促使人们使用基于光的3D打印技术，这些技术依赖于对光敏材料的空间控制曝光。与基于挤压的方法相比，基于光的方法可以实现更快的制造速度和更高的空间分辨率，同时减少与喷嘴沉积相关的机械应力。在这些技术中，体积打印最近作为一种有前景的ELMs制造方法出现。受到计算机断层扫描的启发，体积（生物）打印通过将动态光模式投影到含有光敏材料（在这种情况下也是含细胞材料）的旋转容器中来快速生成3D结构（图1B，左）。然而，对于某些ELM材料来说，使用基于光的体积打印存在一个关键挑战，即来自嵌入细胞的光学属性。细胞可以散射和吸收入射光，从而扭曲投影的光模式，进而降低打印的保真度和空间分辨率，尤其是在高细胞密度时。这一限制对光合微生物尤为明显，因为细胞内的色素如叶绿素会引入额外的光吸收和散射。因此，必须仔细考虑材料的光学属性，以在打印精度和生物功能之间取得平衡。〈div class="figure-wrap">〈figure id="f0005" class="graphic">〈figcaption class="figure__caption__body">〈div id="f0005-title" class="figure__title">图1工程化活材料的3D生物打印。〈div class="accordion">〈div>显示完整标题〈i class="icon-section.arrow_d">〈button class="figure__open__ctrl">图像查看器〈div id="f0005-content" class="accordion__content" style="display: none;">〈div class="figure__caption__text__content">〈div id="sp0010" role="paragraph">（A）左：广泛使用的基于挤压的3D生物打印方法——生物墨水通过喷嘴沿其运动路径沉积。右：打印后允许进一步真菌生长的基于菌丝的水凝胶支架。图片经许可改编自。（B）左：基于光的体积3D打印——液态光敏树脂通过断层扫描照明选择性固化，实现无层的3D对象制造。图片经许可改编自，在知识共享许可下使用。右：细胞浓度对可实现的特征尺寸和可打印性的影响，通过Windisch等人制造的复杂、含微藻的3D结构来展示：一个国际象棋皇后陛下（高度：2.5厘米）和一个微型埃菲尔铁塔（高度：2厘米）。图片经许可改编自，在知识共享许可下使用。〈div id="p0015" role="paragraph">Windisch等人展示了将体积打印技术应用于嵌入聚乙二醇二丙烯酸酯基水凝胶中的光合活性绿色微藻（图1B，右）。如前文所述，这种方法的一个主要挑战是由含叶绿素的细胞引起的强光散射和吸收，这可能会影响打印精度。因此，作者深入研究了绿色微藻的存在和浓度是否会影响打印精度，这些细胞是否能够承受打印过程，以及最终构建在保持藻类活力、光合活性和生长能力的同时是否在长时间培养中保持稳定。通过优化树脂配方和细胞浓度，作者成功制造出几何形状复杂的、含藻类的水凝胶结构，在打印后和长时间培养过程中保持了高细胞活力、生长和光合活性。添加纤维素纳米纤维进一步改善了材料的流变性能，防止了在制造过程中的沉降，并便于去除未交联的材料。尽管还需要进一步优化嵌入细胞的密度，但这种方法为快速制造用于生成氧气、捕获二氧化碳和废水处理等应用的生物活性3D结构提供了一个有前景的平台。〈section id="conflict" class="core-conflict">〈h2>利益声明〈div id="p0020" role="paragraph">作者声明没有利益冲突。