《Small》：用于水质评估的含硅藻生物材料的生物3D打印

文章来源： EngineeringForLife

硅藻长期以来一直被用作评估全球湖泊和河流水质的活生物指标。虽然这种方法受益于这些单细胞藻类的巨大多样性，但建立的方案非常耗时并且需要专门的设备。近日，来自苏黎世联邦理工学院的Gilberto Siqueira、Gustav Nyström和André R. Studart团队3D打印了含有硅藻的水凝胶，可用作水评估的简单多重生物指示剂。基于水凝胶的生物材料是在台式挤出打印机的帮助下创建的，使用硅藻，纤维素纳米晶体（CNC）和藻酸盐的悬浮液作为生物墨水成分。含硅藻水凝胶的生物打印被证明是一种诱人的方法，可以生产可作为水质评估的低成本生物指标的生物材料。

相关论文“3D Bioprinting of Diatom-Laden Living Materials for Water Quality Assessment”于2023年9月10日在线发表于杂志《Small》上。

活生物指示剂的3D生物打印通过四个主要步骤进行：使用选定的硅藻制备生物墨水，设备的挤出生物打印，硅藻增殖和水评估（图1）。

图1 用于活硅藻3D打印的制造平台

为了探索对水污染物具有不同耐受水平的细胞，研究者选择了三种硅藻物种进行生物打印，三者的形态尺寸如图2所示。所选的淡水和咸水物种适合作为平台的生物指标，因为水质更常在淡水中研究。

图2 所选硅藻的形态

研究者对油墨的流变行为进行了评估，以确定实现挤出印刷工艺所需的剪切稀化响应、存储模量和屈服应力所需的CNC颗粒浓度。稳剪切测量揭示了用CNC浓度在8-25 wt%范围内制备的油墨的强烈剪切稀化响应（图3a-c）。生物打印实验证实，含有8 wt%CNC的油墨制成的结构不够坚硬，无法阻止重力引起的印刷品底部的坍塌（图3a）。相比之下，含有18 wt%CNC的配方可以很容易地打印成高保真、形状复杂的结构（图3d）。使用含有1.5 wt%海藻酸盐的含有细胞的生物墨水配方进行的首次定性测试表明，硅藻在含钙培养基中孵育4天后仍保持活力，并且能够在印刷的水凝胶中分裂（图3d）。基于这些结果，选择含有18 wt%CNC和1.5 wt%海藻酸钠的生物墨水组合物作为在L1（富集海水）培养基中培养的硅藻的基础配方。

图3 生物油墨流变学、适印性和硅藻生长

为了确定这些硅藻对所选污染物的敏感性，研究者自由生活的悬浮硅藻进行了实验（图4a）。从荧光数据中获得的最大可接受毒物浓度（MATC）值定义为将无污染对照样品的荧光降低50%所需的盐和污染物浓度（图4b）。结果表明，两种硅藻在溶液中的NaCl的MATC值存在显著差异，而两种微生物与除草剂DCMU抗菌剂的敏感性相当。

印刷结构的光学显微镜显示硅藻不会混合并保持被困在矩形图案中（图4c）。为了检查它们是否具有代谢活性，将打印的水凝胶在含有不同浓度的盐，除草剂和抗菌剂的培养基中孵育。孵育14天后水凝胶的荧光显微镜显示，与先前在溶液实验中观察到的硅藻相比，硅藻显示出不同的灵敏度特征（图4d-e）。

图4 硅藻在NaCl或水污染物存在下生长

此外，硅藻对水污染物的不同敏感性最终被用来打印具有高表面积和易于视觉读数的多路复用活指标（图5）。将两种硅藻组合在一个器件中，可以实现多路复用传感（图5c-f）。这种设计包含无细胞支撑油墨，解除了对含硅藻油墨的流变学限制，简化了生物油墨设计，并在同一活生物指示剂中沉积多种物质。研究者也证实了在专门设备的帮助下，可以在更短的时间内实现检测（图5g-h）。

图5 通过含硅藻水凝胶的多材料生物打印制成的活生物指示剂

综上，含有硅藻的水凝胶可以3D打印成活的生物指示剂，用于简单的视觉读数评估水性污染物。用作原料的水凝胶油墨需要最佳浓度的纤维素纳米晶体、海藻酸钠和钙离子，以实现挤出生物打印所需的流变特性，同时保持足够的柔软性和生物相容性，以允许嵌入的硅藻增殖。具有优化配方的水凝胶可实现生物打印、有效截留和对水污染物具有明显敏感性的选定硅藻的差异生长。使用这些优化的油墨，可以打印便携式生物指示剂。该生物打印平台展示了如何利用天然微生物的代谢活性为社会相关应用创建活的功能设备。

文章来源：https://doi.org/10.1002/smll.202300771