MIT研究出結合生物元素的3D打印物體

2020年1月28日，南極熊從外媒獲悉，麻省理工學院（MIT）等單位的研究人員開發(fā)出一種3D打印對象的新方法，能夠以可預測的方式控制生物行為。

研究人員說，該技術可用于制造3D打印生物醫(yī)學工具，例如定制的牙套，這些工具結合了活細胞可以制造治療性化合物，例如止痛藥或局部療法。

這項新進展是由MIT 副教授Neri Oxman，研究生Rachel Soo Hoo Smith，Christoph Bader和Sunanda Sharma以及MIT、哈佛大學Wyss研究所和Dana-Farber癌癥研究所的其他6人領導。 最近在《Advanced Functional Materials》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了該系統(tǒng)。

Smith說：“我們稱它們?yōu)榛旌仙�命材料（hybrid living materials）或HLMs” 。 在最初的概念驗證實驗中，該團隊將各種化學物質精確地結合到了3D打印工藝中。 這些化學物質充當信號來激活生物工程微生物中的某些響應，這些微生物被噴涂在打印物體上。 一旦噴涂好之后，微生物就會根據(jù)化學信號顯示特定的顏色或熒光。

在他們的研究中，研究小組描述了這些彩色圖案在各種打印物體中的出現(xiàn)，他們說這證明了活細胞已成功地并入3D打印材料的表面，并在放置了化學品的位置響應了細胞的活化。

他們的目的是要制造出一種結合了生物元素的物體和裝置，其制造方式與其他工業(yè)制造工藝一樣具有可預測性和可擴展性。

該團隊通過多個步驟來生產他們的混合材料。首先，他們使用市售多材料噴墨3D打印機，以及用于3D打印的樹脂和化學材料組合的定制配方。

△多材料體素級3D打印機Stratasys J750

他們發(fā)現(xiàn)一種類型的樹脂，通常僅用于為打印結構的懸垂部分提供臨時支撐，然后在打印后溶解，可以通過與結構樹脂材料混合來產生有用的結果。包含此支撐材料的結構部分將成為吸收劑，并能夠保留控制活生物體行為的化學信號。

最后，添加生物層：水凝膠的表面涂層（一種主要由水組成的凝膠狀材料，提供了穩(wěn)定耐用的晶格結構）被注入生物工程細菌，然后噴涂到物體上。

Smith說：“我們可以在打印形狀內定義混合生物材料和生物合成產品的非常具體的形狀和分布，無論是顏色還是治療劑。”這些初始測試形狀中的某些形狀制成了銀元大小的圓盤，其他形狀則制成了彩色面罩，其結構內的活菌提供了顏色。隨著細菌的生長，顏色需要幾個小時才能形成，一旦到位，顏色就會保持穩(wěn)定。

Oxman說：“這種方法在實際應用中發(fā)揮了作用，因為設計人員現(xiàn)在能夠通過計算算法來控制生命系統(tǒng)的增長。將設計計算，增材制造和合成生物學相結合，HLMs平臺指出了這些技術可能對看似完全不同的領域產生深遠影響�！�

團隊使用的打印平臺允許在結構的不同部分之間連續(xù)精確地改變打印對象的材料屬性，其中某些部分較硬，另一些則更柔韌，有些則具有吸收性，而另一些則具有拒液性。這樣的變化在設計生物醫(yī)學裝置時可能有用，所述生物醫(yī)學裝置可以提供強度和支撐，同時還柔軟且柔韌以在它們與身體接觸的地方提供舒適感。

該團隊包括生物學，生物工程學和計算機科學領域的專家，他們提出了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可產生可預測的跨打印對象的生物學行為模式，而不受諸如化學物質在材料中擴散等因素的影響。通過對這些效果進行計算機建模，研究人員開發(fā)了軟件，他們說這些軟件可以提供與傳統(tǒng)3D打印系統(tǒng)所用的計算機輔助設計（CAD）系統(tǒng)相當?shù)木�度�?br />

該多樹脂3D打印平臺可以使用三到七種不同比例，性質不同的樹脂。與合成生物工程相結合，這使得設計具有生物表面的對象成為可能，該對象可以被編程為以可重現(xiàn)但完全可自定義的方式以特定方式對特定刺激（例如光或溫度或化學信號）做出響應。

Oxman說：“將來，面罩中包含的顏料可以用對人體有益的化學物質代替，例如維生素，抗體或抗菌藥物�！� “想象一下一個可穿戴的產品，旨在引導定制的抗生素形成，以適應其用戶的基因構成。或者，考慮可以檢測污染的智能包裝，或可以實時響應并適應環(huán)境提示的對環(huán)境敏感的建筑外觀�！�

研究人員說，在他們的測試中，研究小組使用了轉基因的大腸桿菌，因為它們生長迅速并且得到了廣泛的使用和研究，但原則上也可以使用其他生物。

團隊成員包括Dominik Kolb，Tzu-Chieh Tang，Christopher Voigt和MIT的Felix Moser。哈佛醫(yī)學院達納-法伯癌癥研究所的艾哈邁德·霍斯尼（Ahmed Hosny）；和哈佛大學懷斯學院的詹姆斯·韋弗（James Weaver）。它得到了羅伯特·伍德·約翰遜基金會，蓋蒂實驗室，DARPA工程生活材料協(xié)議以及國家安全科學與工程學院獎學金的支持。


來源：MIT