供稿人：張倍寧、李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-03-04
為了能夠生產(chǎn)廣泛適用的生物混合材料，需要新的工具來提高可復(fù)制性、可擴(kuò)展性和控制能力。麻省理工學(xué)院生物工程系提出了將計算設(shè)計、加法制造和合成生物學(xué)相結(jié)合的混合生物材料制造平臺（HLM)，實現(xiàn)生物雜交的可復(fù)制制造和控制。該方法包括修改多材料3d打印機(jī)描述，以控制化學(xué)信號在打印對象內(nèi)部的分布，以及隨后在對象表面添加水凝膠，以固定工程大腸桿菌，促進(jìn)材料驅(qū)動的化學(xué)信號。因此，該平臺展示了可預(yù)測的、可重復(fù)的三維打印物體表面蛋白表達(dá)的空間控制。定制開發(fā)的正交信號樹脂和基因電路使多路表達(dá)模式成為可能。HLM方法生產(chǎn)的生物混合材料具有可穿戴性、自我支持的3D結(jié)構(gòu)，以及可復(fù)制和可定制的可編程生物表面，從而開啟了將工業(yè)建模和制造方法應(yīng)用于生命材料設(shè)計的路徑。
圖1 HLM方法流程
HLM打印方法流程如上圖1所示。使用數(shù)字材料在光聚合的噴墨3D打印機(jī)上進(jìn)行數(shù)字制造(圖1d，f)，這里的數(shù)字材料定義為噴墨打印機(jī)在打印過程中能夠動態(tài)結(jié)合的樹脂的混合比例，當(dāng)材料分布描述映射到打印環(huán)境時，每個體素的材料組成被解碼成不同的不同材料滴。這種方法的創(chuàng)新之處是，將類似水凝膠的支撐材料混合物與剛性或柔性構(gòu)建材料結(jié)合使用，使3D打印機(jī)能夠制造出具有吸收和保留化學(xué)信號相關(guān)特性的定制數(shù)字材料。此外，定制的含有誘導(dǎo)劑的樹脂配方(圖1e)被開發(fā)出來，以使化學(xué)信號和化學(xué)保留矩陣直接分布到打印物的永久結(jié)構(gòu)中(圖1f)。為了實現(xiàn)程序化的生物混合功能，3d打印的物體被接種工程細(xì)胞(例如大腸桿菌)，這些細(xì)胞通過一層薄的氣溶膠水凝膠涂層粘附在物體表面(圖1g)。化學(xué)信號通過水凝膠層的擴(kuò)散，細(xì)胞可預(yù)測地感知化學(xué)信號并作出相應(yīng)反應(yīng)，據(jù)此可程序化設(shè)計HLM的生物學(xué)行為。最終結(jié)果表明，這種方法可用于設(shè)計和制造具有可預(yù)測和可復(fù)制的時空功能和生物模板(圖1i)。
圖2 HLM生成的多信號邏輯模板
圖2c得到的HLM磁盤顯示了可調(diào)的控制和同時蛋白表達(dá)通道之間的正交性。圖2d是雙輸入邏輯門設(shè)計的基因構(gòu)建: AND函數(shù)(上)和NAND函數(shù)(下)。圖2e中細(xì)菌在HLM磁盤上的響應(yīng)，表明雙輸入邏輯函數(shù)產(chǎn)生了與雙信號重疊區(qū)域相關(guān)的空間蛋白表達(dá)模式。圖3f是第二個模板的原理圖設(shè)計，一個內(nèi)部分層兩種信號材料的兩葉形狀的3d打印模板與均勻分布結(jié)構(gòu)相接觸培養(yǎng)。HLM輸出模式顯示了兩個輸入的正交調(diào)節(jié)計算，生成的空間模式顯示了規(guī)則集與HLM模板幾何形狀和材料分布的關(guān)系。
HLM制造平臺提供了一種以連接計算設(shè)計、材料制造和合成生物學(xué)為中心的新技術(shù)，以控制幾何復(fù)雜、機(jī)械性能好、多材料三維結(jié)構(gòu)表面的基因表達(dá)模式。改變了3d打印平臺的數(shù)字指令和材料組成，以制造結(jié)構(gòu)化的光聚合物，可以在固化的結(jié)構(gòu)中保留精確的化學(xué)調(diào)節(jié)信號的空間分布。將工程大腸桿菌固定在這些物體的表面，以促進(jìn)工程基因結(jié)構(gòu)和化學(xué)信號譜之間設(shè)計的相互作用。HLM該平臺實現(xiàn)了一種可編程方法，用于在3d打印數(shù)字材料和遺傳調(diào)節(jié)電路之間產(chǎn)生可控的空間相互作用。