勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們已經開發出一種新的方法，可以將活的微生物以可控的模式進行3D打印，擴大了使用工程細菌回收稀土金屬、清潔廢水、檢測鈾等方面的潛力。
通過一種利用光和細菌注入的樹脂來生產3D圖案的微生物的新技術，研究小組成功地打印了類似於現實世界中普遍存在的微生物群落薄層的人工生物膜。研究小組將細菌懸浮在光敏生物樹脂中，並利用LLNL開發的用於微生物生物打印的立體光刻設備（SLAM）3D打印機的LED光將微生物”困”在3D結構中。這台投影立體光刻機能夠以18微米的高分辨率進行打印，幾乎和人體細胞的直徑一樣薄。
在這篇在線發表於《納米快報》的論文中，研究人員證明了該技術可以有效地用於設計結構明確的微生物群體。他們證明了這種3D打印的生物膜在鈾生物傳感和稀土生物開採應用中的適用性，並展示了幾何形狀如何影響打印材料的性能。
“我們正試圖推動3D微生物培養技術的發展，”主要研究者和LLNL生物工程師William”Rick”Hynes說：“我們認為這是一個研究非常不足的領域，它的重要性還沒有被充分理解。我們正在努力開發工具和技術，研究人員可以利用這些工具和技術更好地研究微生物在幾何上複雜但高度受控的條件下的行為。通過訪問和加強對微生物種群的三維結構有更大控制的應用方法，我們將能夠直接影響它們如何相互作用，並改善生物製造生產過程中的系統性能。”
雖然看起來很簡單，但Hynes解釋說，微生物的行為實際上是非常複雜的，是由其環境的時空特徵驅動的，包括微生物群體成員的幾何組織。Hynes說，微生物的組織方式可以影響一系列的行為，例如它們如何和何時生長，它們吃什麼，它們如何合作，它們如何抵禦競爭對手以及它們產生什麼分子。
Hynes解釋說，以前在實驗室中生產生物膜的方法為科學家提供了對膜內微生物組織的少量控制，限制了充分了解自然界中細菌群落的複雜相互作用的能力。3D生物打印微生物的能力將使LLNL的科學家們能夠更好地觀察細菌在其自然棲息地的功能，並研究微生物電合成等技術，其中“食電”細菌在非高峰時段轉換剩餘電力以生產生物燃料和生物化學品。
Hynes補充說，目前，微生物電合成是有限的，因為電極（通常是電線或2D表面）和細菌之間的對接是低效的。通過3D打印設備中的微生物與導電材料相結合，工程師們應該實現高導電性的生物材料，並大大擴展和增強電極-微生物界面，從而形成更高效的電合成系統。
工業界對生物膜越來越感興趣，它們被用來修復碳氫化合物，回收關鍵金屬，清除船上的藤壺，並作為各種天然和人造化學物質的生物傳感器。在LLNL的合成生物學能力的基礎上，LLNL的研究人員在最新的論文中探討了生物打印的幾何形狀對微生物功能的影響，在那裡，細菌新月柄桿菌經過基因改造被用於提取稀土金屬和探測鈾礦。
在一組實驗中，研究人員比較了不同生物印刷圖案中的稀土金屬的回收情況，並表明在三維網格中印刷的細胞可以比在傳統的散裝水凝膠中更快地吸收金屬離子。該團隊還打印了活體鈾傳感器，與對照打印相比，觀察到工程細菌的熒光增加。
“這些具有增強微生物功能和質量傳輸特性的有效生物材料的開發對許多生物應用具有重要意義，”共同作者和LLNL微生物學家焦永欽說。“新的生物打印平台不僅通過優化幾何形狀提高了系統性能和可擴展性，而且保持了細胞的活力並實現了長期儲存。”
LLNL的研究人員正在繼續努力開發更複雜的3D晶格，並創造具有更好的打印和生物性能的新生物樹脂。他們正在評估導電材料，如碳納米管和水凝膠，以傳輸電子和餵養生物打印的電營養細菌，以提高微生物電合成應用中的生產效率。該團隊還在確定如何最好地優化生物印刷電極的幾何形狀，以使營養物質和產品通過該系統的質量運輸最大化。
LLNL生物工程師和共同作者Monica Moya說：“我們只是剛剛開始了解結構如何支配微生物行為，這項技術是朝着這個方向邁出的一步。操縱微生物和它們的生理化學環境以實現更複雜的功能，有一系列的應用，包括生物製造、補救、生物傳感/檢測，甚至開發工程化的活體材料–這些材料是自主模式的，可以自我修復或感知/響應它們的環境。”