Science Advances：细菌与3D打印的融合之美

细菌这个东西我们对它是又爱又恨啊，因为它既能引发疾病但是又能为我们的生活带来很多不同的乐趣，像我们必须要舔的酸奶盖上面的酸奶（毕竟喝酸奶不舔酸奶盖的都是土豪），奶酪，酱油，泡菜，醋等发酵食品都离不开细菌的作用；不仅如此，细菌还能助力于医疗事业，如分泌抗生素如链霉素等；还能分解各种泄露的有害化学有机物，例如嗜甲烷菌，恶臭假单胞菌。所以说细菌对人类的活动还是有很大影响的，坏的要抵制，好的当然是要好好利用起来啦。当然，大家也看到标题是写着细菌跟3D打印的结合，那到底他们是怎么融合产生不一样的美呢？我们都知道3D打印技术的出现大大缩减了制造工业的时间和材料成本，它可以直接通过计算机数字模型文件打印出所需要的模型而不需要进行模具制备和机械加工就可以实现产品的生产。目前3D打印机已经可以打印出服饰，建筑模型，汽车制造和医疗器械，组织工程支架和器官等等。所以，只要你在计算机动动你的手指设计好你想要的模型文件，调配好打印材料之后就能够打印出你想到的模型啦。

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好了，科（luo）普（suo）了一大堆，真正的重点终于要来了，大家赶紧摆好姿势，拿好手机，开始敲重点了！这个细菌到底怎么整到3D打印机里面去呢？整进去的是活的细菌还是已经去见了上帝的细菌呢？怎么能够让细菌在3D结构发挥他的最完美功效呢？来自复合材料实验室的负责人André R. Studart教授领导的一组苏黎世联邦理工学院（ETH）研究人员就发表了一篇Science Advances文章，来为我们解答他们是怎么样得到最优化的细菌衍生的多功能材料用于3D技术印刷出不一样功效的3D结构材料。

大家来猜猜细菌是放到打印机的那个位置里面产生作用的呢？通常我们看到的那些霉菌和真菌是不是都长在那些富含水分和营养物质的东西上面的，所以细菌最有可能存在的地方相信大家都了解了吧，就是墨水啦。那这个细菌墨水要怎么做才能达到我们所想要的效果呢，André R. Studart教授带领的研究人员真的是花费了好大一番功夫来验证呢。首先就是要选用合适细菌生长的基材，想要马儿跑又想要马儿不吃草那是不可能的，作者选用的可以保证细菌生长和代谢的水凝胶是由无毒的透明质酸（HA）、长链糖分子（κ-CA）和热解硅石（FS）构成的，再将细菌的培养基混合到水凝胶中，使其具有细菌生存的所有先决条件。同时水凝胶还需要达到一个要求，那就是达到无畸变且精确3D打印结构的油墨的流变性要求，即水凝胶的粘性和弹性都要达到标准才可以。

选好基材之后就开始调制最合适的水凝胶比例啦。团体发挥作用的前提了解个体的特性，扬长补短才能真正形成一个强大的团体。因此，研究人员就先测试单个组分的流动反应特性，如粘弹性，剪切稀化和屈服应力。在各种剪切速率下，三种组分材料都表现出剪切稀化和粘度行为，而且材料也没有出现滞后现象，说明材料具有很好的恢复能力。通过振幅测试可以得到重量含量为1wt%的κ-CA低应力下主要表现为弹性，而在临界应力则表现为粘性，而在临界剪切应力的作用下主要形成一个网格，类似的1wt%的FS溶液能观察到一个不是很明显的网格，相反的，1wt%的HA则主要表现出粘性行为。将3个重量含量相同的个性不一的物质组合到一起之后是不是会表现出强强联合的功效呢？作者将它们组合之后并探究得出三个物质的质量含量比例为1：1：1的话就达到了最优的性能，简直是一箭中的（哈哈，当然这里面是有很多我们所看不到的艰辛才能呈现出最理想的状态啦）。在保证剪切稀化的前提下，提高固定比例的质量含量（固定1：1：1比例的1wt%的质量含量提升到2wt%或者3wt%）可以得到更高的粘度和弹性。

万事开头难，只要踏出了第一步，那你就成功了一半。鸡汤嘛，总是要鼓舞人心的，要不然怎么叫毒鸡汤，嘿嘿~所以成功的另一半仍然需要做出非常多的努力啊。这不，作者调配好的水凝胶就得开始接受考验了。为了更接近地模拟印刷过程中作用于油墨上的时间尺度和机械力，作者将高的和低的剪切速率循环应用于不同组成浓度配方制备出来的水凝胶。结果证明所有模拟的油墨即使经过多次循环，粘度也能立即恢复说明这个水凝胶真是一个粘人的小妖精呢。弹性性能的测试是通过在恒定振幅和频率下的振荡时间扫描用稳态的70 s^{- 1}剪切步骤打断之后继续进行第二圈振荡测量。可以看到所有油墨的弹性模量在1秒内几乎完全恢复，说明这个油墨是非常Q弹了呢。如果油墨总浓度等于或高于6wt%，水凝胶的粘弹性就能迅速恢复，避免了3D打印后重压之下引起的流动变形。此时，油墨的恢复存储模量为1KPa，可以支撑油墨细丝跨越大于自身直径3倍的距离。

除了具有高度的储存模量和快速的弹性恢复外，挤压后的屈服应力对于防止毛细力引起的打印变形也是至关重要。振动测量结果表明，太低浓度的3wt%的油墨只有20pa的屈服应力，是保持不住结构的，而浓度达到4.5 wt %以上的功能性油墨屈服应力大于100 pa，还提供了能快速恢复约1kpa的弹性模量，可以作为3D打印油墨，此外还能包裹细菌。所以，油墨基材的配方也不是那么好配滴，不历经九九八十一难，也得过五关斩六将才能达到第一座成功的小山峰。

配好基材之后，其次就是融合细菌和基材了。细菌到底能不能发挥作用首先得看细菌能不能在油墨成分中存活，所以作者利用染色之后的不同浓度的枯草芽胞杆菌和恶臭假单胞菌来跟踪验证打印方法的通用性。结果果然不出意料，证明3D打印可以结合各种功能的细菌一起共同作用。其次就是看细菌能不能在这个结构中存活和繁殖下去，要是细菌不能存活和繁殖，那么这个打印机就是一个普通的3D打印机而已了。作者选的基材还是非常对细菌的胃口的，因为细菌在这些基材中都继续快乐的生长和繁殖呢。再晒晒紫外线，看看油墨中的一些自由基是否会对细菌造成伤害，结果细菌还是很顽强的能够继续生长与和新陈代谢。

为了获得具有弹性的自支撑结构，可以利用化学改性甲基丙烯酸缩水甘油酯HA(GMHA)取代原先的HA。而且HA与GMHA的交换没有大幅度改变水凝胶的粘度,它还允许将水凝胶在低照射剂量和无害波长的紫外线下交联，形成不溶于水的凝胶，这小小的变动就能发生天翻地覆的变化，化学的奥妙真的是匪夷所思啊。这种不溶于水的凝胶具有足够强的机械强度可在各种介质中浸泡和膨胀，从而提供结构支架所需的高机械稳定性。该交联水凝胶在细菌培养基中膨胀1.5倍，而在水中则膨胀一倍。就像一方水土养一方人，水凝胶的溶胀受水凝胶和周围水介质中离子浓度差异的影响。因为功能性油墨是用含有高盐度，大的渗透压来吸收的细菌发酵液配制而成，当打印出来的物体被放置在超纯水中时，水凝胶会膨胀。但是换另外一种方式把打印结构浸到细菌培养基里的时候就只发生了离子交换。这顺序换一换之后得到的可就是不一样的结果了呢，多以大家以后做事情的时候就可以多倒腾几下，说不定一个不小心，新大陆就被你发现了呢。

终于，酝酿了这么久，我们终于可以来感受一下真正把细菌固定在3D打印材料中的魅力了。作者分别采用可消灭化学有机物苯酚的恶臭假单胞菌和能产生纤维素的木醋杆菌来验证这个优异性能的细菌3D打印技术。首先，将恶臭假单胞菌固定在化学改性的水凝胶通过编程3D打印出自由形貌的几何体结构。测试之后发现功能性仿生结构将对环境有害的苯酚转化成生物质，得益于网格结构的高比表面积使得固定细菌与液体培养基之间的最大化接触。这都是通过光密度来测定释放细菌的浓度，紫外可见吸收光谱来检测有害物质的浓度，分析细菌降解的时间来确定的。一套检测下来就能把细菌怎么消灭有害物质的过程清清楚楚的呈现在我们的眼前，通过结果就可以说明部分固定化细菌被释放到培养基中之后就像是恶虎归山，碰到最钟爱的食物（苯酚）就会大口吃掉吃掉，食物消耗完了，那细菌就停止生长了。那主要的作用到底是被释放出来的细菌呢还是固定在结构网格中的细菌呢？作者的心思可是非常的缜密了，通过进一步的对比实验可以得出支架表面的固定的细菌也有发挥了它的作用的。在验证实验中还有不一样的发现，那就是网格培养基细菌的快速降解动力学是能够与液体培养基中的细菌相媲美的，黑猫白猫都是能够抓到老鼠的好猫呀，当然，这只猫的具体生长情况是怎么样的，作者也通过染色实验来验证它们的DNA，表明细菌遍布 整个培养基中。哎，那这些结果不是表明细菌的生长和新陈代谢可以发生在我们所想要设计的任意固定打印结构中了吗？是的，事实就是如此，作者露出了慈母般的笑容。

只有一个例子当然不能说明这种材料的优越性啦，所以作者又展示了另外一个实例来验证。那就是通过合并细菌来增加打印结构功能，即结合木醋杆菌分泌的纤维素打印出具有潜在生物医学应用前景的机械健壮的复杂形状的3D结构，例如皮肤修复和器官移植。想想就觉得激动，我们人体组织这么复杂，但是通过计算机编程控制，再复杂的结构都是能够被打印出来，那对于人类创后治疗可是具有非常大的意义啊。作者就加快脚步的通过扫描和染色分析了包裹有木醋杆菌的3D结构所分泌的纤维素主要取决于接触到的氧气浓度和油墨的粘度，控制好这个比例之后就可以优化细菌衍生纤维素关于膜的制备和包覆生产工艺。优化工艺就是得经过一系列的实验去验证最好的条件，金子这么金贵，想要拿到得经过千万里淘沙才能淘得到啊。所以又是一大批的实验验证之后得出水凝胶中间组分为4.5wt%的时候，细菌生成高度链接的细菌纤维素网络可以保证足够高的弹性和屈服应力来保证精准的印刷。

实践才能出真知嘛，作者就使用了一个定制的可在任意非平面表面扫描和打印的四轴对称3d打印机，将载满木醋杆菌的水凝胶沉积在一个人脸模具的基底。用纤维素特异性荧光染料直接显影后可以看到细菌纤维素是在最佳生长条件下(在30°C高湿度下培养4天)生成。在人脸的前额部分，由于水凝胶的厚度比眼睛、鼻子和嘴巴周围的厚度要薄，所以可以看到较少的纤维素形成。普通同庆啊，历经千辛万苦终于做出了所想要的成果，撒花撒花~由此还可以看出基于细菌纤维素作为皮肤替代品和和器官移植的组织包膜，可能形成的所需的三维形状细菌纤维素使我们能够将脱细菌之后的纤维素应用于任何我们感兴趣的部位，像皮肤移植，肘关节和膝盖等部位。不仅如此，纤维薄膜的生长具有复杂的几何结构，与人体的部位正好匹配，还能防止损害愈合过程的皱纹形成和污染物的夹带。那意味这只要在我们需要的部位部署好细菌之后，通过3D打印就能够为医学应用做出巨大的贡献了。

所以人类的创造力是无限的，只要敢想敢做，很多事情都是不在话下，就像这个细菌3D打印机，堪称跨越学科的经典啊。后续更多的跨学科融合之美等着大家去发现喔~

参考文献：Schaffner, M., Rühs, P. A., Coulter, F., Kilcher, S., & Studart, A. R. 3D printing of bacteria into functional complex materials. Science advances, 2017,3(12), eaao6804.

文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/3/12/eaao6804

本文由LLLucia供稿。

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