提到打印，和我們常識(shí)里的打印一樣，3D打印也需要“墨水”，事實(shí)上，“墨水”在3D打印中的角色至關(guān)重要。以往3D打印的墨水主要是塑料或粉末狀材料，隨著3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多，3D打印的“墨水”類(lèi)型也各式各樣，其中最引人注目的就是“生物墨水”

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y.ShrikeZhang教授課題組在3D打印領(lǐng)域發(fā)表過(guò)很多有影響力的成果，張教授的研究領(lǐng)域包括生物打印及器官芯片平臺(tái)的搭建與應(yīng)用研究，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表研究論文及綜述260余篇，包括以第一或通訊作者發(fā)表的PNAS、Science、Nat.Rev.Mater.、Nat.Rev.MethodsPrimers、Nat.Rev.Nephrol.、Matter、Nat.Commun.、Nat.Protoc.、AdvMater等雜志，其中超過(guò)45篇封面文章;研究成果曾被BBC、FoxNews、TheBostonGlobe/STATNews等媒體報(bào)道。

張教授被斯坦福大學(xué)列為世界2%頂尖科學(xué)家之一、以及入選科睿唯安高被引科學(xué)家榜單，曾獲 IEEE 光電子學(xué)會(huì)頒發(fā)的青年研究員獎(jiǎng)等。IEEE 光電子學(xué)會(huì)青年研究員獎(jiǎng)是為了表彰對(duì)光電子（廣義）做出杰出技術(shù)貢獻(xiàn)的青年研究員（年齡35歲以下）而設(shè)立的。同時(shí)張教授擔(dān)任二十余本雜志的主編、副主編或編委，曾獲得多種國(guó)際和地區(qū)性獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)。

近日，Y. Shrike Zhang教授及合作團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了一種新型生物墨水，有望實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)。傳統(tǒng)的生物墨水，通常是將細(xì)菌或其他微生物細(xì)胞加入到墨水中，即生物只是墨水的配方成分之一。張教授及其合作團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)的新型生物墨水，很有創(chuàng)意地利用了基因工程，即通過(guò)對(duì)大腸桿菌（E.coli）進(jìn)行基因工程改造，直接通過(guò)大腸桿菌來(lái)制造納米纖維，將這些纖維聚集在一起，再經(jīng)過(guò)一些適當(dāng)?shù)墓ば?，最終發(fā)明了一種新型生物墨水。在這種生物墨水中，細(xì)菌不僅僅是作為墨水的成分， 更是直接分泌制造了墨水本身，基于這個(gè)原理，這種墨水打印的生物材料，理論上可以通過(guò)相應(yīng)的化學(xué)刺激分泌新的纖維來(lái)用于自身修復(fù)。

本次成果由張教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)東北大學(xué)生命系統(tǒng)研究所副教授尼爾·喬希團(tuán)隊(duì)合作完成。其中喬希團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)改造大腸桿菌以獲得可以制造生物墨水的工程菌，張教授的團(tuán)隊(duì)輔助打印方面的工作，最終通過(guò)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的合作，獲得了這種新型的生物墨水并驗(yàn)證了其打印性和功能性。

生物墨水需要有可調(diào)節(jié)的機(jī)械強(qiáng)度、較高的細(xì)胞活力及較好的打印清晰度。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想，可不可以利用微生物本身的外基質(zhì)去構(gòu)成生物墨水，而不是把微生物嵌入到模擬外基質(zhì)的生物墨水中呢？

在大自然中，微生物的外基質(zhì)在惡劣環(huán)境中仍然可以實(shí)現(xiàn)界面粘附并維系自身必要的生長(zhǎng)，在其中起著關(guān)鍵作用的是一種CsgA納米纖維。CsgA納米纖維通過(guò)CsgA單體蛋白自組裝形成，它富含β-折疊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使納米纖維結(jié)構(gòu)規(guī)整，而規(guī)整的結(jié)構(gòu)可以為材料提供更好的環(huán)境耐受性， 如高低溫耐受、在酸堿溶液中保持穩(wěn)定及摩擦磨損性能好等。

可是單純CsgA納米纖維構(gòu)成的墨水粘性并不夠，受凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)想到了纖維蛋白N端的α短鏈結(jié)構(gòu)和C端的γ短鏈結(jié)構(gòu)。這兩條短鏈一個(gè)像球形的把手，一個(gè)像孔，兩個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)域可以絞合在一起，形成一個(gè)類(lèi)似于手繩綁扣一樣的結(jié)構(gòu)。

隨后基于設(shè)想，喬希團(tuán)隊(duì)利用基因工程，對(duì)CsgA單體蛋白進(jìn)行功能化修飾，分別將α短鏈和γ短鏈連接在CsgA單體蛋白的N 端和C 端上，這兩個(gè)短鏈在保持自身功能的同時(shí)并不會(huì)影響CsgA蛋白本身自組裝形成納米纖維的能力，但又在納米纖維之間引入非共價(jià)交聯(lián)，增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，也保持了剪切變稀特性。最后，經(jīng)過(guò)一些工序的處理，這個(gè)新型的生物墨水就制成了。

文中提到的基因工程一般應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用一些工具酶對(duì)基因進(jìn)行拼接和重組，使外源基因按照人類(lèi)的意愿穩(wěn)定遺傳并表達(dá)人類(lèi)想要的性狀。我們可以把不同功能的基因理解成不同的模塊，按我們所需組合不同的模塊獲得想要實(shí)現(xiàn)的生物學(xué)功能。

利用基因工程的思路，該團(tuán)隊(duì)隨后給細(xì)菌的基因安上了生長(zhǎng)調(diào)節(jié)的模塊和分泌特殊物質(zhì)的模塊，當(dāng)有相應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)刺激時(shí)，這些模塊開(kāi)始執(zhí)行功能，細(xì)菌即表現(xiàn)出相應(yīng)的生物學(xué)反應(yīng)。

該團(tuán)隊(duì)用新型生物墨水打印了兩組具有活體組件的3D結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)化學(xué)誘導(dǎo)，成功誘導(dǎo)3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一種可以隔離有毒物質(zhì)的活性材料，另一組3D結(jié)構(gòu)則是在化學(xué)誘導(dǎo)下成功分泌了抗癌物質(zhì)。

提及這種新型生物墨水的應(yīng)用前景，張教授非常興奮，他和他的團(tuán)隊(duì)希望在未來(lái)， 這種新型墨水打印的3D結(jié)構(gòu)可以幫助人們?cè)趷毫迎h(huán)境下實(shí)現(xiàn)建筑材料的自修復(fù)或其他之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的活性功能。

該論文一個(gè)很重要的特色就是利用了微生物基因的可編程原理去合理控制生物墨水的機(jī)械特性，同時(shí)也為3D打印的結(jié)構(gòu)賦予了很多可調(diào)控的生物學(xué)功能。

該論文的成果也為活體材料領(lǐng)域帶來(lái)了更多的可能。試想在未來(lái)，我們針對(duì)癌組織量身打造一個(gè)“ 金鐘罩”，這個(gè)金鐘罩源源不斷地分泌抗癌物質(zhì)，使癌細(xì)胞無(wú)處可擴(kuò)散;或者未來(lái)我們會(huì)居住在3D打印的房屋里，當(dāng)房屋有損耗時(shí)，不需要再添一磚一瓦，建筑材料本身就可以完美的“自愈”，甚至廚房的材料可以有專(zhuān)門(mén)分泌牛乳蛋白的功能區(qū)。