3D生物列印-實現高效生化轉換的生物反應

蛋殼膜具有獨特的選擇性滲透性，使特定分子能夠通過，同時有效地阻止微生物種群的遷移。受到這種自然結構的啟發，學者提出了一種創新方法，利用三維（3D）生物列印技術創建具有卓越選擇性滲透性的生物反應器，以實現高效生化轉換。通過使用導電性碳奈米纖維網絡，他們成功構建了一個仿生蛋殼膜結構，還可作為即時監測細胞代謝的感應器的平台。

一、創新的3D列印生物反應平台

學者以蛋殼膜的結構作為設計概念，使用3D生物列印機，建構了導電性碳奈米纖維網絡的3D列印生物反應系統。通過精心設計的過程，包括3D列印和碳化，他們製造了一個類似蛋殼膜結構的支架。含有細菌細胞的水凝膠被精確地列印在支架內，然後封閉開口部分。該平台不僅作為一個定制的生化轉換目標化學物質的棲息地，還可作為即時監測細胞代謝的感應器。

二、生物反應平台具有四個關鍵特點：

1. 細菌細胞的精確定位：

利用3D生物列印沉積生物墨水（含有目標細菌細胞的水凝膠），可以在支架內實現局部放置預培養細菌細胞。這種可控制性的定位不僅加速了三維結構中細菌細胞的部署，還允許在靠近位置上加載異質細胞，實現潛在的鏈式反應。

2. 選擇性滲透性：

選擇性滲透性碳奈米纖維網絡完全包圍了載入的細菌細胞，可以在有效交換化學物質的同時，安全地包裹在支架內的生物實體。這種封裝防止它們的外露，這是維持生化反應性能的重要因素之一。

3. 即時監測：

導電性碳奈米纖維網絡作為即時監測細胞代謝的平台。代謝感應能力與高效的生化反應器的結合，促進了對生物反應器裝置中細胞狀態的持續監控。這使得能夠精確控制適合的生化轉換的最佳環境。

4. 生化轉換和可重複使用性：

雖然初始細胞密度和相應的反應在早期階段可能有所不同，但一旦細胞群在相同大小的生物反應裝置內穩定下來，性能往往會維持一致。為了驗證此裝置是否可重複使用，他們通過補充培養基的方式，來重複進行葡萄糖生成乙酸鹽(Acetate)的生產測試。值得注意的是，在重複地過程中，隨著循環數的增加，生物反應裝置的乙酸鹽生產速率也會增加 (尤其在第三個循環時)，推測可能是因為裝置內的細胞群處於穩定期。

三、結論

作為模型研究，作者展示了含有大腸桿菌的生物反應器在高度可控和可重複的情況下，讓葡萄糖順利地轉化為乙酸鹽。

未來應用方向，可以此模式來構建高靈敏和高效的生物反應平台，包括廢水處理、微生物生物合成和人工光合作用等應用。

四、參考文獻

3D Printed Bioresponsive Devices with Selective Permeability Inspired by Eggshell Membrane for Effective Biochemical Conversion. 2020.