近些年來(lái)，科學(xué)家一直嘗試?yán)?3D 打印墨水制備各種響應(yīng)型材料。比如，有人利用溫度敏感型高分子制成墨水，由此打印了溫度響應(yīng)型的可變形物體。還有人利用在光照下有伸縮效應(yīng)的高分子，打印了光敏化結(jié)構(gòu)。
麻省理工學(xué)院（MIT）機(jī)械工程系的教授趙選賀與生物工程系和電子工程及計(jì)算機(jī)科學(xué)系的助理教授盧冠達(dá)帶領(lǐng)的合作團(tuán)隊(duì)，意識(shí)到活細(xì)胞或許也可以用作 3D 打印墨水，制備響應(yīng)型材料。尤其是，可以利用基因編程，使活細(xì)胞對(duì)多種刺激做出響應(yīng)。他們并不是第一個(gè)考慮利用 3D 打印活細(xì)胞的團(tuán)隊(duì)，實(shí)際已有人嘗試用 3D 打印哺乳動(dòng)物細(xì)胞，但是沒(méi)有成功。因?yàn)椴溉閯?dòng)物細(xì)胞太脆弱，很容易破裂，在打印過(guò)程很容易死掉。
圖丨麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種 3D 打印技術(shù)，使用的是一種由基因編程的活細(xì)胞制成的新型墨水
MIT 研究團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了一種比哺乳動(dòng)物細(xì)胞強(qiáng)壯的細(xì)胞類型。這種菌細(xì)胞具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，使其能夠在相對(duì)嚴(yán)苛的條件下存活，比如可以承受打印過(guò)程中的壓力。另外，不同于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的是，菌細(xì)胞與大部分水凝膠（水與少量高分子的混合物）兼容。研究表明，水凝膠提供的水相環(huán)境，能夠支撐細(xì)菌存活。
研究人員做了大量的篩選實(shí)驗(yàn)，并找到了最有利于菌細(xì)胞生存的水凝膠材料——含有普朗尼克酸的水凝膠。這種水凝膠在 3D 打印中表現(xiàn)出很好的一致性，并且它的流動(dòng)特性非常適用于采用噴嘴的打印過(guò)程。此外，采用這種水凝膠制成的墨水，在打印用時(shí)如同牙膏一樣被擠出，并在打印后一直保持形狀不變。盧冠達(dá)為團(tuán)隊(duì)還提供了菌細(xì)胞，可對(duì)多種化學(xué)刺激以發(fā)亮形式作出響應(yīng)。
由此，研究團(tuán)隊(duì)找出了 3D 打印墨水的配方，利用細(xì)菌、水凝劑和營(yíng)養(yǎng)鹽，供養(yǎng)細(xì)胞并保持它們的功能性。趙選賀表示，利用這種新配方打印出的結(jié)構(gòu)小至 30 微米，大到幾厘米。
研究中，他們采用了定制的 3D 打印機(jī)。為了演示研究成果，團(tuán)隊(duì)在高彈體薄層上打印了樹(shù)形的水凝膠（帶有活細(xì)胞）圖案。利用紫外光輻照，進(jìn)行固化處理。固化之后，得到透明的“貼畫(huà)”，并將其粘貼到涂抹了幾種化合物的手背上。幾個(gè)小時(shí)之后，當(dāng)菌細(xì)胞感知到相應(yīng)的化學(xué)刺激時(shí)，樹(shù)形“貼畫(huà)”中的樹(shù)枝就會(huì)發(fā)亮。因?yàn)槊總€(gè)樹(shù)枝都有排列著不同的活菌細(xì)胞，會(huì)對(duì)不同的分子化合物產(chǎn)生感應(yīng)。
研究人員還設(shè)計(jì)菌細(xì)胞之間的交互作用。比如，他們通過(guò)基因編程，使活細(xì)胞只有在接受其他細(xì)胞的特定信號(hào)時(shí)，才發(fā)亮響應(yīng)。為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)，研究人員打印了一層薄薄的含有“輸入電路”（可產(chǎn)生信號(hào)的細(xì)菌和化學(xué)物質(zhì)）的水凝膠絲，覆蓋了另一層含有“輸出電路”（可接收信號(hào)的細(xì)菌）的水凝膠絲。研究發(fā)現(xiàn)，只有兩種細(xì)絲重疊時(shí)，含有“輸出電路”的水凝膠絲才能發(fā)亮。此外，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種模型，可以預(yù)測(cè)各種不同條件下，特定 3D 打印結(jié)構(gòu)中細(xì)胞的交互作用。這個(gè)模型能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)響應(yīng)型材料提供指導(dǎo)。
研究人員這項(xiàng)技術(shù)可用于制備可穿戴傳感器及交互顯示器中的“活性”材料通過(guò)其中的活細(xì)胞，使材料能夠感知環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)和污染物以及 PH 和溫度的變化。另外，他們計(jì)劃制備定制化的傳感器，比如可以檢測(cè)各種分子化合物的貼紙型傳感器。他們認(rèn)為該技術(shù)不應(yīng)該局限于表皮儀器，還設(shè)想將其用于制造藥物膠囊和外科植入物。
研究人員還表示，“未來(lái)可以利用這種技術(shù)打印‘活的計(jì)算機(jī)’。這種計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中含有多種類型的細(xì)胞，它們相互聯(lián)系，并傳輸信號(hào)，就像微芯片上的晶體管一樣。當(dāng)然這還很遙遠(yuǎn)，但是我們希望可以打印可穿戴的計(jì)算平臺(tái)?！?/span>
該成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上。這項(xiàng)研究得到了美國(guó)海軍研究辦公室、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)立衛(wèi)生研究院以及麻省理工 Soldier Nanotechnologies 研究所的支持。
聯(lián)系客服
