新型“生物墨水”，让科幻走进现实

提到打印，和我们常识里的打印一样，3D打印也需要“墨水”，事实上，“墨水”在3D打印中的角色至关重要。以往3D打印的墨水主要是塑料或粉末状材料，随着3D打印的应用领域逐渐增多，3D打印的“墨水”类型也各式各样，其中最引人注目的就是“生物墨水”

哈佛大学医学院Y.ShrikeZhang教授课题组在3D打印领域发表过很多有影响力的成果，张教授的研究领域包括生物打印及器官芯片平台的搭建与应用研究，在相关领域发表研究论文及综述260余篇，包括以第一或通讯作者发表的PNAS、Science、Nat.Rev.Mater.、Nat.Rev.MethodsPrimers、Nat.Rev.Nephrol.、Matter、Nat.Commun.、Nat.Protoc.、AdvMater等杂志，其中超过45篇封面文章;研究成果曾被BBC、FoxNews、TheBostonGlobe/STATNews等媒体报道。

張教授被斯坦福大学列为世界2%顶尖科学家之一、以及入选科睿唯安高被引科学家榜单，曾获 IEEE 光电子学会颁发的青年研究员奖等。IEEE 光电子学会青年研究员奖是为了表彰对光电子（广义）做出杰出技术贡献的青年研究员（年龄35岁以下）而设立的。同时张教授担任二十余本杂志的主编、副主编或编委，曾获得多种国际和地区性奖项40余项。

近日，Y. Shrike Zhang教授及合作团队在Nature Communications发表了一种新型生物墨水，有望实现材料的自修复。传统的生物墨水，通常是将细菌或其他微生物细胞加入到墨水中，即生物只是墨水的配方成分之一。张教授及其合作团队共同研发的新型生物墨水，很有创意地利用了基因工程，即通过对大肠杆菌（E.coli）进行基因工程改造，直接通过大肠杆菌来制造纳米纤维，将这些纤维聚集在一起，再经过一些适当的工序，最终发明了一种新型生物墨水。在这种生物墨水中，细菌不仅仅是作为墨水的成分， 更是直接分泌制造了墨水本身，基于这个原理，这种墨水打印的生物材料，理论上可以通过相应的化学刺激分泌新的纤维来用于自身修复。

本次成果由张教授团队和美国东北大学生命系统研究所副教授尼尔·乔希团队合作完成。其中乔希团队负责改造大肠杆菌以获得可以制造生物墨水的工程菌，张教授的团队辅助打印方面的工作，最终通过两个团队的合作，获得了这种新型的生物墨水并验证了其打印性和功能性。

生物墨水需要有可调节的机械强度、较高的细胞活力及较好的打印清晰度。该团队设想，可不可以利用微生物本身的外基质去构成生物墨水，而不是把微生物嵌入到模拟外基质的生物墨水中呢？

在大自然中，微生物的外基质在恶劣环境中仍然可以实现界面粘附并维系自身必要的生长，在其中起着关键作用的是一种CsgA纳米纤维。CsgA纳米纤维通过CsgA单体蛋白自组装形成，它富含β-折叠结构，这种结构可以使纳米纤维结构规整，而规整的结构可以为材料提供更好的环境耐受性， 如高低温耐受、在酸碱溶液中保持稳定及摩擦磨损性能好等。

可是单纯CsgA纳米纤维构成的墨水粘性并不够，受凝血级联反应启发，该团队想到了纤维蛋白N端的α短链结构和C端的γ短链结构。这两条短链一个像球形的把手，一个像孔，两个蛋白结构域可以绞合在一起，形成一个类似于手绳绑扣一样的结构。

随后基于设想，乔希团队利用基因工程，对CsgA单体蛋白进行功能化修饰，分别将α短链和γ短链连接在CsgA单体蛋白的N 端和C 端上，这两个短链在保持自身功能的同时并不会影响CsgA蛋白本身自组装形成纳米纤维的能力，但又在纳米纤维之间引入非共价交联，增强机械稳定性，也保持了剪切变稀特性。最后，经过一些工序的处理，这个新型的生物墨水就制成了。

文中提到的基因工程一般应用于生物学领域，简单来说就是利用一些工具酶对基因进行拼接和重组，使外源基因按照人类的意愿稳定遗传并表达人类想要的性状。我们可以把不同功能的基因理解成不同的模块，按我们所需组合不同的模块获得想要实现的生物学功能。

利用基因工程的思路，该团队随后给细菌的基因安上了生长调节的模块和分泌特殊物质的模块，当有相应的化学物质刺激时，这些模块开始执行功能，细菌即表现出相应的生物学反应。

该团队用新型生物墨水打印了两组具有活体组件的3D结构，然后通过化学诱导，成功诱导3D结构产生一种可以隔离有毒物质的活性材料，另一组3D结构则是在化学诱导下成功分泌了抗癌物质。

提及这种新型生物墨水的应用前景，张教授非常兴奋，他和他的团队希望在未来， 这种新型墨水打印的3D结构可以帮助人们在恶劣环境下实现建筑材料的自修复或其他之前无法实现的活性功能。

该论文一个很重要的特色就是利用了微生物基因的可编程原理去合理控制生物墨水的机械特性，同时也为3D打印的结构赋予了很多可调控的生物学功能。

该论文的成果也为活体材料领域带来了更多的可能。试想在未来，我们针对癌组织量身打造一个“ 金钟罩”，这个金钟罩源源不断地分泌抗癌物质，使癌细胞无处可扩散;或者未来我们会居住在3D打印的房屋里，当房屋有损耗时，不需要再添一砖一瓦，建筑材料本身就可以完美的“自愈”，甚至厨房的材料可以有专门分泌牛乳蛋白的功能区。