細(xì)菌生物膜是細(xì)菌在細(xì)胞外基質(zhì)（由蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)和細(xì)胞外 DNA 組成）中的三維組合，它們牢固地附著在生物或者非生物表面。生物膜廣泛存在于自然、醫(yī)療和工業(yè)環(huán)境中，它是一把雙刃劍。工業(yè)上，它促進(jìn)可持續(xù)過(guò)程，例如生物修復(fù)、材料合成或毒素降解；但在醫(yī)學(xué)上，它可能會(huì)成為假肢、導(dǎo)管、縫合線、假牙和其他植入物的感染源。

（來(lái)源：維基百科）

由于大多數(shù)人類感染是由形成生物膜的細(xì)菌引起的，闡明生物膜抗性行為的原因可以促進(jìn)更好地設(shè)計(jì)新的抗生物膜策略。然而，挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)生物膜成分的自上而下的空間模式，以探究它們對(duì)生物特性的影響。3D 打印可用于應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。通過(guò)高度控制 3D 打印提供的形狀、設(shè)計(jì)和分辨率的自由度可以模擬天然生物膜的空間異質(zhì)性和機(jī)械強(qiáng)度。3D 打印的生物膜模型可能比實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)研究的生物膜（在液體培養(yǎng)基或瓊脂中生長(zhǎng)）更好地模擬天然生物膜的 3D 組織，可用于研究生物膜對(duì)抗菌劑的緊急生物耐受性等特性。

近日，由荷蘭 Delft University of Technology 生物納米系的 Marie-Eve Aubin-Tam 博士和美國(guó) University of Rochester 生物系的 Anne S. Meyer 博士共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)從大腸桿菌中培養(yǎng)出生物膜樣本，并且使用 3D 打印技術(shù)操縱此類生物膜結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。

大腸桿菌是一種革蘭氏陰性兼性厭氧菌，可以在有氧或無(wú)氧的情況下產(chǎn)生能量。作為一種廣泛研究的模式生物，它可以在 20 分鐘內(nèi)培養(yǎng)，已用于重組 DNA 研究。大腸桿菌生物膜的細(xì)胞外基質(zhì)由卷曲纖維（一種蛋白質(zhì)成分）或纖維素（一種多糖成分）或兩者的組合組成，這種納米復(fù)合基質(zhì)賦予大腸桿菌細(xì)胞生物和機(jī)械耐久性。

用 3D 打印調(diào)整大腸桿菌生物膜的基質(zhì)組成和設(shè)計(jì)原則是分析生物膜組成和結(jié)構(gòu)對(duì)其緊急耐受性影響的有效方法。該團(tuán)隊(duì)采用了定制的 3D 打印機(jī)用于將形成生物膜的大腸桿菌任意圖案化到瓊脂基質(zhì)上。不同菌株的大腸桿菌在其生物膜基質(zhì)中表達(dá)纖維素 +/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維 +、纖維素–/ 卷曲纖維–，生物膜被 3D 打印為四層結(jié)構(gòu)，并測(cè)試它們對(duì)消毒劑的緊急生物耐受性。

經(jīng)證明細(xì)菌生物膜可以有效被 3D 打印成不同的形狀，并且 3D 打印的生物膜顯示出對(duì)常用實(shí)驗(yàn)室消毒劑（如乙醇和 Virkon S）的耐受，細(xì)胞外基質(zhì)成分特別是卷曲纖維的存在，在 3D 打印的大腸桿菌生物膜中對(duì)消毒劑的生物耐受性的發(fā)展中起著重要作用。

圖 | 3D 打印生物膜暴露于不同濃度的 (A) 乙醇或 (B) Virkon S 10 分鐘后的緊急消毒劑耐受性（來(lái)源：研究論文）

該研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)生物墨水和 3D 打印工藝的設(shè)計(jì)調(diào)整生物膜基質(zhì)組成，例如改變細(xì)菌密度、卷曲密度和纖維素密度，這對(duì)這些消毒劑耐藥性的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：底部細(xì)胞密度較高的生物膜設(shè)計(jì)比底部細(xì)胞密度較低的設(shè)計(jì)更能抵抗乙醇；調(diào)整每層中表達(dá)卷曲纖維的細(xì)菌的比例來(lái)調(diào)整卷曲纖維密度對(duì)乙醇的抗性沒(méi)有影響；生物膜基質(zhì)中的纖維素本身不能賦予 3D 打印生物膜對(duì)乙醇的緊急耐受性。

圖 | 調(diào)整 (A) 細(xì)菌密度、(B) 卷曲密度和 (C) 纖維素密度對(duì)乙醇耐力的影響（來(lái)源：研究論文）

此外，該團(tuán)隊(duì)的 3D 打印生物膜保留了原先的形狀，并顯示出對(duì)物理變形的非凡抵抗力。這意味著這些 “印刷品” 可以可逆地附著在細(xì)菌纖維素、玻璃和聚苯乙烯等表面上。這些 3D 打印的生物膜有可能應(yīng)用于醫(yī)療器械、廢水處理、環(huán)境修復(fù)等方面的益生菌生物膜涂層。這為結(jié)合生物和材料科學(xué)的下一代智能材料鋪平了道路。

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