3D 列印正在擴充套件到諸多有趣的應用領域，從仿生肢體到人造器官，甚至是用於建築和裝飾的原料。
近日，來自哈佛大學和哈佛醫學院布萊根婦女醫院的研究人員開發了一種可用於列印 “活體材料” 的活性墨水。
在其發表於 Nature Communications 雜誌的論文中，研究團隊描述了使用改造大腸桿菌（E.coli）細胞生產活的奈米纖維。然後，研究人員將奈米纖維濃縮並新增其他成分，生成用於 3D 印表機的活性墨水。
同時，他們演示了這項技術的潛在應用，比如隔離在環境中出現的有毒化學物質雙酚 A，釋放生物製劑，並調節自身細胞的生長。
（來源：Nature Communications）
該墨水完全由經過基因工程改造的微生物細胞（E.coli）製成，透過程式設計將蛋白質單體自下而上、分層自組裝成奈米纖維，並進一步組裝成包含水凝膠的奈米纖維網路。
圖丨微生物墨水的設計策略、生產和應用示意圖（來源：Nature Communications）
基於該實驗室開發的生物膜整合奈米纖維顯示 (BIND) 技術，在工程化大腸桿菌菌株 PQN4 中，研究人員將 “旋鈕” 和 “孔” 蛋白結構域基因分別移植到捲曲奈米纖維的主要結構成分 CsgA 的 N 和 C 端，以建立融合蛋白 CsgA-α 和 CsgA-γ。當將兩種分別表達 CsgA-α 或 CsgA-γ 的大腸桿菌細胞進行共培養時，該系統將產生表現出 “旋鈕” 和 “孔” 結構域的奈米纖維 CsgA-αγ。
圖丨 CsgA- α、CsgA- γ 和 CsgA- αγ 的自組裝奈米纖維影象（來源：Nature Communications）
據介紹，該微生物墨水在設計方面利用了 α 和 γ 結構之間的結合相互作用，即旋鈕孔相互作用，從而在奈米纖維之間引入非共價交聯並增強材料的機械強度，同時保持剪下稀化特性。由此自組裝形成的纖維非常穩定，並且能夠抵抗蛋白水解、洗滌劑誘導和熱變性。
在製造出活的奈米纖維後，研究人員將產物與其他成分混合，使墨水可用於定製的 3D 印表機，列印後的產物即為功能性生物材料。
除此之外，研究人員將這種墨水與其他經過基因工程改造、用來執行特定任務的微生物相結合，透過這種方式使墨水獲得了相應的功能性。
其中一種材料能夠在化學品的刺激下分泌抗癌藥天青蛋白，另一種能夠有效隔離環境中的雙酚 A。雙酚 A 是一種有毒化學物質，曾經在塑膠瓶、塑膠杯中廣泛應用，但後期研究認為其能導致內分泌失調，威脅人體健康。因此，隔離環境中的雙酚 A 將是一項實用性技術。
實驗表明，該生物墨水在環境影響下能夠調節自身細胞的生長活動，這將使墨水具備某種程度上的可再生性及定製化生產功能。特別是，其透過改造獲得的額外功能性產品或將使其具備進一步用於生物醫學和生物技術的潛力。目前，該實驗仍在研究階段，並不具備大規模生產的條件。
該團隊認為，這種微生物生物墨水將在資源有限的地區 —— 例如沙漠、太空中廣泛用於建造特殊功能的房屋。在這些地方，原材料運輸很困難，這使得該類能夠從有限的資源中實現按需生產的建築材料變得十分有效。
