新型“生物墨水”，讓科幻走進現實

提到打印，和我們常識里的打印一樣，3D打印也需要“墨水”，事實上，“墨水”在3D打印中的角色至關重要。以往3D打印的墨水主要是塑料或粉末狀材料，隨著3D打印的應用領域逐漸增多，3D打印的“墨水”類型也各式各樣，其中最引人注目的就是“生物墨水”

哈佛大學醫學院Y.ShrikeZhang教授課題組在3D打印領域發表過很多有影響力的成果，張教授的研究領域包括生物打印及器官芯片平臺的搭建與應用研究，在相關領域發表研究論文及綜述260余篇，包括以第一或通訊作者發表的PNAS、Science、Nat.Rev.Mater.、Nat.Rev.MethodsPrimers、Nat.Rev.Nephrol.、Matter、Nat.Commun.、Nat.Protoc.、AdvMater等雜志，其中超過45篇封面文章;研究成果曾被BBC、FoxNews、TheBostonGlobe/STATNews等媒體報道。

張教授被斯坦福大學列為世界2%頂尖科學家之一、以及入選科睿唯安高被引科學家榜單，曾獲 IEEE 光電子學會頒發的青年研究員獎等。IEEE 光電子學會青年研究員獎是為了表彰對光電子（廣義）做出杰出技術貢獻的青年研究員（年齡35歲以下）而設立的。同時張教授擔任二十余本雜志的主編、副主編或編委，曾獲得多種國際和地區性獎項40余項。

近日，Y. Shrike Zhang教授及合作團隊在Nature Communications發表了一種新型生物墨水，有望實現材料的自修復。傳統的生物墨水，通常是將細菌或其他微生物細胞加入到墨水中，即生物只是墨水的配方成分之一。張教授及其合作團隊共同研發的新型生物墨水，很有創意地利用了基因工程，即通過對大腸桿菌（E.coli）進行基因工程改造，直接通過大腸桿菌來制造納米纖維，將這些纖維聚集在一起，再經過一些適當的工序，最終發明了一種新型生物墨水。在這種生物墨水中，細菌不僅僅是作為墨水的成分， 更是直接分泌制造了墨水本身，基于這個原理，這種墨水打印的生物材料，理論上可以通過相應的化學刺激分泌新的纖維來用于自身修復。

本次成果由張教授團隊和美國東北大學生命系統研究所副教授尼爾·喬希團隊合作完成。其中喬希團隊負責改造大腸桿菌以獲得可以制造生物墨水的工程菌，張教授的團隊輔助打印方面的工作，最終通過兩個團隊的合作，獲得了這種新型的生物墨水并驗證了其打印性和功能性。

生物墨水需要有可調節的機械強度、較高的細胞活力及較好的打印清晰度。該團隊設想，可不可以利用微生物本身的外基質去構成生物墨水，而不是把微生物嵌入到模擬外基質的生物墨水中呢？

在大自然中，微生物的外基質在惡劣環境中仍然可以實現界面粘附并維系自身必要的生長，在其中起著關鍵作用的是一種CsgA納米纖維。CsgA納米纖維通過CsgA單體蛋白自組裝形成，它富含β-折疊結構，這種結構可以使納米纖維結構規整，而規整的結構可以為材料提供更好的環境耐受性， 如高低溫耐受、在酸堿溶液中保持穩定及摩擦磨損性能好等。

可是單純CsgA納米纖維構成的墨水粘性并不夠，受凝血級聯反應啟發，該團隊想到了纖維蛋白N端的α短鏈結構和C端的γ短鏈結構。這兩條短鏈一個像球形的把手，一個像孔，兩個蛋白結構域可以絞合在一起，形成一個類似于手繩綁扣一樣的結構。

隨后基于設想，喬希團隊利用基因工程，對CsgA單體蛋白進行功能化修飾，分別將α短鏈和γ短鏈連接在CsgA單體蛋白的N 端和C 端上，這兩個短鏈在保持自身功能的同時并不會影響CsgA蛋白本身自組裝形成納米纖維的能力，但又在納米纖維之間引入非共價交聯，增強機械穩定性，也保持了剪切變稀特性。最后，經過一些工序的處理，這個新型的生物墨水就制成了。

文中提到的基因工程一般應用于生物學領域，簡單來說就是利用一些工具酶對基因進行拼接和重組，使外源基因按照人類的意愿穩定遺傳并表達人類想要的性狀。我們可以把不同功能的基因理解成不同的模塊，按我們所需組合不同的模塊獲得想要實現的生物學功能。

利用基因工程的思路，該團隊隨后給細菌的基因安上了生長調節的模塊和分泌特殊物質的模塊，當有相應的化學物質刺激時，這些模塊開始執行功能，細菌即表現出相應的生物學反應。

該團隊用新型生物墨水打印了兩組具有活體組件的3D結構，然后通過化學誘導，成功誘導3D結構產生一種可以隔離有毒物質的活性材料，另一組3D結構則是在化學誘導下成功分泌了抗癌物質。

提及這種新型生物墨水的應用前景，張教授非常興奮，他和他的團隊希望在未來， 這種新型墨水打印的3D結構可以幫助人們在惡劣環境下實現建筑材料的自修復或其他之前無法實現的活性功能。

該論文一個很重要的特色就是利用了微生物基因的可編程原理去合理控制生物墨水的機械特性，同時也為3D打印的結構賦予了很多可調控的生物學功能。

該論文的成果也為活體材料領域帶來了更多的可能。試想在未來，我們針對癌組織量身打造一個“ 金鐘罩”，這個金鐘罩源源不斷地分泌抗癌物質，使癌細胞無處可擴散;或者未來我們會居住在3D打印的房屋里，當房屋有損耗時，不需要再添一磚一瓦，建筑材料本身就可以完美的“自愈”，甚至廚房的材料可以有專門分泌牛乳蛋白的功能區。