MIT团队创新可穿戴设备，3D打印“活细胞纹身”

本文转自x-mol
3D打印（3D printing）技术已被广泛运用于商业界和科研界的多个领域，甚至也正在走向家用化，电商网站上数千元就可购买一台。目前能3D打印的材料也是五花八门，从高分子材料、水凝胶、记忆聚合物，到金属、食品，再到活细胞。2016年，Anthony Atala课题组第一次实现了利用活细胞作为“油墨”打印活体组织器官（Nat. Biotech., 2016, 34, 312-319），并在实验动物中进行了测试。

近年来，科学家们开发出各种响应性材料作为3D打印的油墨。活细胞中的生物系统对于外界刺激（光、电、热、力、化合物等）往往十分敏感，借助基因工程，还能够让它们对于某一种或几种特定的刺激产生响应。那么活细胞能否作为响应性组分用于3D打印响应性材料甚至响应性器件呢？美国麻省理工学院（MIT）的赵选贺（Xuanhe Zhao）教授团队最近将这个有意思的想法变成了现实，他们开发出一项基于“基因工程活细菌细胞”的新型3D打印技术，制造出了活的、刺激响应性的材料和器件。作为例证，他们打印出了一种新的可穿戴设备——“活细胞纹身”，能够在特定的化学刺激下发光。相关工作发表在近期的在Advanced Materials 杂志上，论文第一作者为博士生刘心悦（Xinyue Liu）。

“活细胞纹身”。图片来源：Adv. Mater. / MIT

先简单介绍下赵选贺教授。他2003年本科毕业于天津大学，2006年获得不列颠哥伦比亚大学的硕士学位，2009年获得哈佛大学机械工程学院博士学位，曾在杜克大学机械工程与材料科学系担任助理教授，2014年9月加入MIT，现为该校机械工程系副教授。目前的研究主要侧重于活性软材料的设计与性能研究，以及在仿生领域（如人造肌肉、皮肤、软骨等）的应用开发。

赵选贺教授和他的水凝胶。图片来源：MIT

活细胞用于3D打印的最大问题是：如何能让细胞在3D打印过程中存活下来？之前有人尝试过活的哺乳动物细胞，但成功者寥寥。究其原因，哺乳动物细胞本质上不过是脂质双层膜包裹的小液体球，比较脆弱，打印过程中在被喷嘴喷出时往往会被挤破。相比于哺乳动物细胞，细菌细胞外部多了更坚韧的细胞壁，可以忍受相对“恶劣”的环境。研究者发现，细菌不但可以在3D打印机的管路中存活下来，而且其强大的生存能力有利于和水凝胶完全相容，成了生物打印应用的理想选择。

水凝胶的选择也是细菌存活的关键，经过筛选，研究者选择了含有Pluronic F127 diacrylate（Pluronic F127-DA）的水凝胶和Irgacure 2959光敏引发剂，所有油墨成分都是生物相容的。同时，水凝胶不但可以为细胞提供水分和养分，又能渗透气体满足细菌的呼吸，还能确保封装后刺激信号物质的扩散，可谓一举多得。同在MIT的Timothy Lu教授团队提供了能够感应N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）、鼠李糖（Rham）、异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG）三种物质并产生荧光的基因工程菌。研究者按照优化后的比例混合各组分制成了3D打印“油墨”，打印出了大规模（3 cm）、高分辨率（30 μm）的活体响应性材料。细菌细胞在打印后24小时内存活率大于95%，证明了该方法是可行的。

高分辨活体响应性材料的3D打印与器件设计。图片来源：Adv. Mater.

活体材料的3D打印包括两个步骤：（1）将含有光敏引发剂和不同细菌细胞的水凝胶直接打印在基底上；（2）紫外固化交联。研究者讨论了喷嘴直径分别为30 µm、100 µm和200 µm时，喷嘴进料速率（压力）和油墨浓度对打印的影响。在一定的浓度区间，当印刷压力大于阈值时，打印可以顺利进行。而且，该方法可以实现非常高的空间分辨率。

墨水打印阈值范围（200 µm）及各种打印图案。图片来源：Adv. Mater.

随后，研究者使用这种含活细胞的“油墨”，在柔性、透明的弹性体基底上3D打印出了一张大树形状的“活细胞纹身”贴纸（下图a）。将AHL、Rham、IPTG三种物质涂抹在皮肤上，然后将“活细胞纹身”贴到手背上，贴纸上的细菌感应到刺激信号后，图案的对应位置就会发出荧光，实现对不同化学物质的监控。

3D打印“活细胞纹身”贴纸，用于人体可穿戴式化学物质检测。图片来源：Adv. Mater.

3D打印“活细胞纹身”。图片来源：Adv. Mater.

研究团队展望了这项技术的未来运用，“我们希望该技术能推动未来‘活体计算机’的发展，他们由不同类型的细胞组成，相互之间可以通信，传递信号，就像芯片上的晶体管一样”，Hyunwoo Yuk（文章二作）说。[1] 不过眼下，比较实际的应用是利用细胞对环境和化学物质的响应，制备特定的传感器，推动健康检测和可穿戴设备的发展。

“我们还设想制造一种新型的药物输送系统，打印含有细胞的药物胶囊”，Xinyue Liu说，“细胞们被设计成在三维支架内生产药物，药物可以随着时间的推移被释放出来。”[1]

3D Printing of Living Responsive Materials and Devices
Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704821