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Small南京工业大学余子夷/陈苏：3D打印具有生物催化功能的活体材料
更新时间：2021-12-09 13:11:53
活体材料（Living materials）是近几年材料科学和生物学交叉融合领域被关注的重点。这类材料旨在挖掘生物细胞的功能性来实现传统材料无法或者难以完成的任务，比如生物催化、生物修复、生物医学应用等；同时基质材料的加入（比如水凝胶材料或是其他无机杂化材料等）给细胞提供了一种固定化的策略，能够稳定生物过程和提高生物转化效率，并实现材料的循环使用。然而，如何控制生物细胞的时空分布，最大化提高生物过程的效率依然是一个亟需解决的难题。
近期，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的余子夷、陈苏教授团队在Small上发表题为“Dual-network reinforced bioinks for 3D printing of biocatalytic living materials”的研究论文，将一种新双网络高分子细胞载体用于微生物的固定化并用作生物墨水，利用生物3D打印设备（EFL团队提供）制备具有生物催化功能的活体材料。该活体材料不仅可以强化微生物的化学品制造能力，还可以利用菌-藻共生的多细胞体系吸收空气中的二氧化碳用于生物修复，对探索微生物固碳和实现碳中和目标提供了一个技术选择。
该方法利用透明质酸作为起始材料，对其进行了两次化学修饰：一是半胱氨酸-苯丙氨酸二肽分子，二是甲基丙烯酸。利用葫芦[8]脲（CB[8]）大环分子与二肽之间的主客体组装，该材料先进行一次物理交联，从液态转变成为粘弹性固体，并能够被挤出式3D打印机加工成任意的三维结构。当材料成型之后，经过紫外照射，引发碳碳双键进行第二次交联，材料的机械性能提升利用此方法，功能微生物得到了固定化；同时，3D打印带来了材料更高的比表面积，提高了传质效率，从而增强了整个活体材料的生物催化效果。除此之外，利用3D打印技术可以在空间上调控细胞的分布，为研究微生物共生提供了一个有力的工具。
CB[8]大环能与二肽以1:2的比例主客体组装，形成次级键，水凝胶物理交联。第一层网络形成后，该材料有良好的可打印性，适用于挤出式的3D打印技术。打印完成后再进行第二次光交联，形成第二层网络结构，提高整个材料的稳定性和机械性能。
流变测试显示，二次交联后，该材料的储存模量增长了十倍以上，但临界应变从之前的200%降低到了100%。同时，酿酒酵母的加入对材料的流变性能没有造成明显的影响。循环应变测试证明该材料有着良好的应变回复性能，当应力撤去即材料脱离打印头时，能够快速回复到高弹性的状态，有利于整个三维结构的形成。最后，该材料还具有剪切稀化的性能，当剪应力增大时材料的粘度减小，有利于挤出成型。接下来，研究人员测试了该材料实际的3D打印性能，并且考察了整个过程对酿酒酵母细胞活性的影响。实验表明酵母细胞在整个过程中维持了较高的活性（85%），说明该生物载体有着较好的生物相容性。
研究人员探索了活体材料在生物催化上的应用，即采用一个循环发酵的装置，将3D打印出来的含有酿酒酵母的活体材料置于其中，控制其无氧条件，将葡萄糖催化转化为乙醇。与大块材料相比，3D打印的活体材料有着更高的催化效率。接下来考察了材料循环使用的能力。实验结果显示，材料在冻干之后30天后可以重新激活，依然维持90%左右的催化活性。研究人员也对比了两种不同的材料保存方法，4度冰箱保存和冻干。尽管冻干方法会一定程度抑制生物催化活性，但是在多次循环发酵过程还能保持90%以上的催化效率。
最后该团队探索了该材料在微生物共生上的应用，以及其吸收二氧化碳和催化降解污染物的能力。研究人员利用相同的方法将枯草芽孢杆菌和小球藻组成的菌藻共生体系加工成了生物活体材料，并用其降解模拟废水中的甲基橙和丙烯酰胺。实验结果显示，在24小时内甲基橙降解效率达到了70%，丙烯酰胺降解了40%；在三天之内，废水中的有机物含量减少了90%。该研究证明了开发的活体材料在生物修复领域有着重要的应用价值。
近期，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的余子夷、陈苏教授团队在Small上发表题为“Dual-network reinforced bioinks for 3D printing of biocatalytic living materials”的研究论文，将一种新双网络高分子细胞载体用于微生物的固定化并用作生物墨水，利用生物3D打印设备（EFL团队提供）制备具有生物催化功能的活体材料。该活体材料不仅可以强化微生物的化学品制造能力，还可以利用菌-藻共生的多细胞体系吸收空气中的二氧化碳用于生物修复，对探索微生物固碳和实现碳中和目标提供了一个技术选择。
该方法利用透明质酸作为起始材料，对其进行了两次化学修饰：一是半胱氨酸-苯丙氨酸二肽分子，二是甲基丙烯酸。利用葫芦[8]脲（CB[8]）大环分子与二肽之间的主客体组装，该材料先进行一次物理交联，从液态转变成为粘弹性固体，并能够被挤出式3D打印机加工成任意的三维结构。当材料成型之后，经过紫外照射，引发碳碳双键进行第二次交联，材料的机械性能提升利用此方法，功能微生物得到了固定化；同时，3D打印带来了材料更高的比表面积，提高了传质效率，从而增强了整个活体材料的生物催化效果。除此之外，利用3D打印技术可以在空间上调控细胞的分布，为研究微生物共生提供了一个有力的工具。
图1 基于功能化的透明质酸的双交联载体的设计
CB[8]大环能与二肽以1:2的比例主客体组装，形成次级键，水凝胶物理交联。第一层网络形成后，该材料有良好的可打印性，适用于挤出式的3D打印技术。打印完成后再进行第二次光交联，形成第二层网络结构，提高整个材料的稳定性和机械性能。
图2 活体材料的3D打印
流变测试显示，二次交联后，该材料的储存模量增长了十倍以上，但临界应变从之前的200%降低到了100%。同时，酿酒酵母的加入对材料的流变性能没有造成明显的影响。循环应变测试证明该材料有着良好的应变回复性能，当应力撤去即材料脱离打印头时，能够快速回复到高弹性的状态，有利于整个三维结构的形成。最后，该材料还具有剪切稀化的性能，当剪应力增大时材料的粘度减小，有利于挤出成型。接下来，研究人员测试了该材料实际的3D打印性能，并且考察了整个过程对酿酒酵母细胞活性的影响。实验表明酵母细胞在整个过程中维持了较高的活性（85%），说明该生物载体有着较好的生物相容性。
图3 生物催化活体材料的发酵性能
研究人员探索了活体材料在生物催化上的应用，即采用一个循环发酵的装置，将3D打印出来的含有酿酒酵母的活体材料置于其中，控制其无氧条件，将葡萄糖催化转化为乙醇。与大块材料相比，3D打印的活体材料有着更高的催化效率。接下来考察了材料循环使用的能力。实验结果显示，材料在冻干之后30天后可以重新激活，依然维持90%左右的催化活性。研究人员也对比了两种不同的材料保存方法，4度冰箱保存和冻干。尽管冻干方法会一定程度抑制生物催化活性，但是在多次循环发酵过程还能保持90%以上的催化效率。
图4 多细胞生物活体材料用于二氧化碳固定和生物修复
最后该团队探索了该材料在微生物共生上的应用，以及其吸收二氧化碳和催化降解污染物的能力。研究人员利用相同的方法将枯草芽孢杆菌和小球藻组成的菌藻共生体系加工成了生物活体材料，并用其降解模拟废水中的甲基橙和丙烯酰胺。实验结果显示，在24小时内甲基橙降解效率达到了70%，丙烯酰胺降解了40%；在三天之内，废水中的有机物含量减少了90%。该研究证明了开发的活体材料在生物修复领域有着重要的应用价值。
综上所述，该工作利用动态化学以及双交联网络的方法，成功开发了一种新的可打印的生物墨水，制造了在微尺度空间固定微生物和构建多细胞共生的生物活体材料，实现了生物催化的强化。利用3D打印技术，提高了整个材料的传质效果，和传统的大块材料相比，显著提高了材料的生物催化效果。同时，该材料还具有可循环性，并且在低温或者冻干的保存条件下依然保持了良好的催化活性。这项工作为探索新的生物相容性良好的可打印生物墨水提供了一个新的突破。
来源：南极熊3D打印网 https://www.nanjixiong.com/thread-151199-1-1.html
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