《Nature Materials》重磅：為3D打印注入“生命力”！

來源： EngineeringForLife

近年來，3D打印的概念逐漸為人們所熟知，其主要是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前已經(jīng)有了許多不同的商業(yè)化3D打印機(jī)，并在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而實際上，3D打印更為重要的潛在應(yīng)用就是用于人工器官和組織修復(fù)材料的精密制造、以及人工智能的構(gòu)建等領(lǐng)域，但目前的3D打印大多都是使用非生命材料打印制造非生命結(jié)構(gòu)，想要實現(xiàn)上述的宏遠(yuǎn)目標(biāo)，一個重要的過程就是對3D打印注入“生命力”，賦予3D打印材料生命！尤其是生物學(xué)中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)的許多新特性，在工程生物材料中仍然沒有得到有效的結(jié)合和探索。

細(xì)菌、真菌等微生物在現(xiàn)實生活中無處不在，近年來，這些微生物的一些獨特生物過程逐漸被深入開發(fā)利用，甚至作為組分合成了一系列具有獨特功能的生物基合成材料，為這些合成材料的在更廣泛領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用增添了新的希望。近日，受真菌菌絲體的啟發(fā)，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工的André R. Studart教授等人創(chuàng)造性地設(shè)計了一種利用真菌菌絲的新興特性整合3D打印技術(shù)來制造具有“生命”的復(fù)雜材料的方法，該策略制備的活體材料可實現(xiàn)自我修復(fù)，再生和環(huán)境適應(yīng)，同時充分發(fā)揮材料的功能服務(wù)于特定的工程目的。該材料的制作主要是將裝載真菌的水凝膠利用3D打印技術(shù)打印成晶格結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)菌絲在水凝膠里的定位植入，并實現(xiàn)間隙之間的橋連，研究還基于該方法制造了一種具有“生命力”的仿生皮膚材料，該材料展現(xiàn)出堅固的機(jī)械性能，同時可以實現(xiàn)自我清潔、以及損傷后自動適應(yīng)和再生。相關(guān)研究內(nèi)容以“Three-dimensional printing of mycelium hydrogels into living complex materials”為題，于2022年12月22日發(fā)表于國際頂級期刊《Nature Materials》，并進(jìn)行Research Briefing專欄報道。

1. 關(guān)鍵科學(xué)問題

傳統(tǒng)的合成材料都會隨著時間的推移而退化，在沒有人為干預(yù)的情況下無法進(jìn)行自適應(yīng)或愈合。此外，制造這些材料通常需要高溫和苛刻的條件，而相比之下，由生物有機(jī)體制成的生物材料，如木材和骨骼，都可以實現(xiàn)生長、自我再生并自主適應(yīng)環(huán)境的特性，從而更全面地發(fā)揮其生物功能，此外，這些生物材料通�？梢栽跍睾偷臏囟认掠缮�物體的生物機(jī)械驅(qū)動的水生產(chǎn)。工程生物材料領(lǐng)域近年來也一直都在研究利用微生物生物學(xué)為材料帶來生命，并取得了相應(yīng)的一些研究進(jìn)展，但現(xiàn)在亟需解決的一個關(guān)鍵內(nèi)容是，如何探索在自然界中為特定任務(wù)進(jìn)化的真菌生物機(jī)制與工程應(yīng)用中功能和幾何約束的相互協(xié)調(diào)和輔助。

2. 創(chuàng)新型解決方案

通過3D打印裝載有菌絲的水凝膠（該真菌菌絲用來從土壤中提取養(yǎng)分的根狀菌絲網(wǎng)絡(luò)），研究者們創(chuàng)造了具有定制幾何形狀和自我再生特性的活體材料。3D打印可以將活體材料塑造成多樣的幾何結(jié)構(gòu)，并保留由菌絲體編碼結(jié)構(gòu)所需的生物機(jī)制，使得其具有自我再生和適應(yīng)的活體生命能力。研究選取真菌作為目標(biāo)微生物，主要是由于真菌已經(jīng)進(jìn)化為通過土壤顆粒之間的縫隙生長，可以通過橋接因破壞而產(chǎn)生的開放空間來再生響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。為了利用真菌的這一潛力，研究打印了網(wǎng)格狀水凝膠結(jié)構(gòu)，從而為菌絲生長提供一個機(jī)械堅固的開放氣道結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)豐富的環(huán)境，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用粒狀水凝膠基材打印，該基材由接種有真菌的凝膠培養(yǎng)基組成，分布在基材中的菌絲從而可以在最終打印結(jié)構(gòu)中形成一個相互連接的真菌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

圖1 通過3D打印富含菌絲體的水凝膠制成的活體復(fù)合材料和物體

該研究結(jié)合3D打印得到的材料中的活菌絲展現(xiàn)出了兩種生長模式：結(jié)合周圍環(huán)境的探索（游擊模式）和開發(fā)（方陣模式）的平衡生長策略。這種生長會產(chǎn)生分形菌絲網(wǎng)絡(luò)，為3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，且該過程在室溫下與于水中即可發(fā)生。此外，菌絲在受損部位的生長可以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的自行愈合，愈合尺寸高達(dá)2 mm（ 直徑），這些過程中真菌的生長和分裂僅由營養(yǎng)物質(zhì)支持，無需人為干預(yù)。因此，該方法能夠用于高效地制造具有復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)特性的活性材料。此外，該研究開發(fā)的這一活體打印材料與之前的研究不同，在這些打印的菌絲體結(jié)構(gòu)中，真菌可以在制造過程結(jié)束時仍然保持較好的生命力。除了自我修復(fù)，菌絲體網(wǎng)絡(luò)的生長也可以用于合并打印的水凝膠以形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。研究最后還通過3D打印活體功能性皮膚，并將其應(yīng)用于無約束機(jī)器人和可編程抓取器，從而展示了富含菌絲體的3D打印水凝膠極大的應(yīng)用潛力。

圖2 10%麥芽濃度菌絲體活體材料的生長和機(jī)械硬度

3. 未來研究方向

通過將3D打印提供的靈活成型能力與微生物的生物機(jī)制相結(jié)合，該研究的創(chuàng)新策略有望被推廣到增材制造其他功能性生物材料。機(jī)器人皮膚和建筑元素的設(shè)計可以通過調(diào)節(jié)這些生物材料的適應(yīng)性行為和溫和的加工條件進(jìn)行高效優(yōu)化。且與傳統(tǒng)的機(jī)器人和建筑部件不同，功能性生物材料可以自主改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以修復(fù)損傷，并對環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)性行為。通過利用真菌網(wǎng)絡(luò)探索和利用其在自然環(huán)境中的固有能力，3D打印活菌絲體將能夠被設(shè)計為可感知、驅(qū)動甚至響應(yīng)外部刺激的多功能仿生活體材料。

圖3 菌絲體活性材料的存活、自愈及應(yīng)用

基于這一工作，未來的研究將進(jìn)一步開發(fā)可以長期供應(yīng)營養(yǎng)物質(zhì)和清除成型真菌廢物的復(fù)雜生物機(jī)制，從而實現(xiàn)更加系統(tǒng)的材料功能控制，研究認(rèn)為結(jié)合人工血管網(wǎng)絡(luò)可能可以實現(xiàn)這一目標(biāo)，甚至可以從周圍環(huán)境中獲取營養(yǎng)。當(dāng)然，了解該研究中菌絲體網(wǎng)絡(luò)的長期穩(wěn)定性以及活性物質(zhì)如何與其環(huán)境相互作用，對于為工程應(yīng)用的活菌絲體材料的設(shè)計藍(lán)圖十分重要。此外，利用3D打印作為控制真菌和其他微生物的空間分布的工具，拓寬打印過程中功能性微生物的多樣性并探索共生相互作用，將有助于開發(fā)可以利用多級生物過程的復(fù)雜智能生物材料。



文章來源：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01429-5