3D 打印技術與市場日趨成熟，其與計算機圖形學、機器人學、生命科學、材料科學等領域愈發廣泛交叉，多學科的融合程度逐漸深化，這也為 3D 打印提供了更豐富的可能性和更廣闊的發展前景。3D 生物打印是從 3D 打印逐層構建材料并最終形成產品的增材制造過程演化而來，主要是用電腦輔助積累制造技術（CAM），精確控制生物材料，生物細胞，生長因子，在整體3D結構中的位置，組合，互相作用，使之具有生物活性，并能實現與目標組織或生物器官接近和相同，甚至更優越的功能，能夠生產可精確控制的組織復雜度類似的 3D 組織構建物。如上圖中所示，該技術的關鍵就在于打印的材料，它不再是以往的金屬或者非金屬，它包含活細胞和生物材料，我們知道，活細胞具有從納米尺度合成分子組分并精確組裝它們的能力，在環境條件下構建宏觀的活細胞功能結構，這種材料被稱為“生物墨水”，世界真奇妙，原來墨水也會有生命。目前，利用微生物工程生產各種不同應用的材料已取得一定成果，但任意模式和形狀的三維生物結構構建卻始終是該領域的主要挑戰。盡管有相關研究成果表明，多種生物墨水已被探索發現，但迄今為止，還沒有充分利用微生物的遺傳可編程性來合理地控制生物墨水的機械特性。基于此，近日，美國哈佛大學和東北大學研究者共同開發一種 “微生物墨水”，它完全由基因工程微生物細胞產生，通過編程，將蛋白質單體進行自下而上的、分層的自組裝，形成納米纖維，并進一步形成納米纖維網絡，形成可擠壓的水凝膠。通過將可編程的大腸桿菌(E. coli)細胞和納米纖維嵌入微生物墨水中，進一步展示了功能性活性材料的3D打印技術。該研究成果已發表于Nature Communication。（https://doi.org/10.1038/s41467-021-26791-x）研究通過將α(旋鈕)和γ(孔)蛋白結構域融合到卷曲納米纖維的主要結構成分CsgA中，對大腸桿菌進行基因編程產生微生物墨水。分泌后，CsgA-α和CsgA-γ單體通過旋鈕-孔結合相互作用自組裝合成納米纖維。此時此刻，該研究工作的主角已登場，CsgA-αγ生物墨水。場發射掃描電鏡（FESEM）可觀察到三種水凝膠通過功能性卷曲納米纖維的橫向關聯進行分層組裝。觀察到CsgA-α, CsgA-γ and CsgA-αγ的自組裝納米纖維直徑分別為~5.5, ~6.7和~10 nm。納米纖維直徑趨向于與11個氨基酸的“旋鈕”結構域(CsgA-α)和127個氨基酸的“孔”結構域(CsgA-γ)的相對尺寸一致。由于“旋鈕”和“空穴”域的非共價相互作用形成超分子交聯，因而生成直徑為10 nm的納米纖維。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，發現這種水凝膠可以由此獲得功能性。對樣品的流變性能進行測試分析，得出CsgA-αγ水凝膠的儲存模量(G ')是單獨的CsgA-α和CsgA-γ水凝膠的數倍. CsgA-αγ的剪切模量(G)比CsgA-α和CsgA-γ分別高出6倍和3倍。CsgA-αγ的屈服應力(σy)是CsgA-α和CsgA-γ的近兩倍。CsgA-α和CsgA-γ生物墨水不能橋連8毫米及以上的距離，而CsgA-αγ生物墨水能夠橋連16毫米以上的距離并支撐自身重量。 CsgA-α, CsgA-γ 和微生物墨水 CsgA-αγ的流變性能及其3D打印研究者利用這種水凝膠制備出一種能在遇到化學刺激物時分泌抗癌藥天青蛋白的材料，這對抗癌治療藥物的研究進一步拓展了研發方向。此外，還設計出了一種材料，能有效隔離環境中出現的有毒化學物質雙酚。眾所周知，雙酚A曾一度在塑料瓶、塑料杯中廣泛應用，但后期研究認為其能導致內分泌失調，威脅人體健康，該研究在隔離環境中已存在的雙酚A的應用中將具有安全技術指導意義。最后，實驗證明了打印材料內的細胞生長可以通過誘導遺傳回路來進行調節。▲通過“自下而上”的方法完全由工程微生物來生產這種生物墨水；▲創建一個可編程的平臺，從更大更宏觀的層面應用 3D 打印活體結構的先進功能，推動新興的活體材料領域奔向前沿科技藍海。大千世界，科技迅猛發展，如果墨水有生命，他將如何繼續書寫他的燦爛人生？一切還在路上，一切都是未知，一切在期待我們的成長與挑戰！
