近些年来，科学家一直尝试利用 3D 打印墨水制备各种响应型材料。比如，有人利用温度敏感型高分子制成墨水，由此打印了温度响应型的可变形物体。还有人利用在光照下有伸缩效应的高分子，打印了光敏化结构。
麻省理工学院(MIT)机械工程系的教授赵选贺与生物工程系和电子工程及计算机科学系的助理教授卢冠达带领的合作团队，意识到活细胞或许也可以用作 3D 打印墨水，制备响应型材料。尤其是，可以利用基因编程，使活细胞对多种刺激做出响应。他们并不是第一个考虑利用 3D 打印活细胞的团队，实际已有人尝试用 3D 打印哺乳动物细胞，但是没有成功。因为哺乳动物细胞太脆弱，很容易破裂，在打印过程很容易死掉。
图丨麻省理工学院的研究人员设计了一种 3D 打印技术，使用的是一种由基因编程的活细胞制成的新型墨水
MIT 研究团队在细菌中发现了一种比哺乳动物细胞强壮的细胞类型。这种菌细胞具有坚硬的细胞壁，使其能够在相对严苛的条件下存活，比如可以承受打印过程中的压力。另外，不同于哺乳动物细胞的是，菌细胞与大部分水凝胶(水与少量高分子的混合物)兼容。研究表明，水凝胶提供的水相环境，能够支撑细菌存活。
研究人员做了大量的筛选实验，并找到了最有利于菌细胞生存的水凝胶材料——含有普朗尼克酸的水凝胶。这种水凝胶在 3D 打印中表现出很好的一致性，并且它的流动特性非常适用于采用喷嘴的打印过程。此外，采用这种水凝胶制成的墨水，在打印用时如同牙膏一样被挤出，并在打印后一直保持形状不变。卢冠达为团队还提供了菌细胞，可对多种化学刺激以发亮形式作出响应。
由此，研究团队找出了 3D 打印墨水的配方，利用细菌、水凝剂和营养盐，供养细胞并保持它们的功能性。赵选贺表示，利用这种新配方打印出的结构小至 30 微米，大到几厘米。
研究中，他们采用了定制的 3D 打印机。为了演示研究成果，团队在高弹体薄层上打印了树形的水凝胶(带有活细胞)图案。利用紫外光辐照，进行固化处理。固化之后，得到透明的“贴画”，并将其粘贴到涂抹了几种化合物的手背上。几个小时之后，当菌细胞感知到相应的化学刺激时，树形“贴画”中的树枝就会发亮。因为每个树枝都有排列着不同的活菌细胞，会对不同的分子化合物产生感应。
研究人员还设计菌细胞之间的交互作用。比如，他们通过基因编程，使活细胞只有在接受其他细胞的特定信号时，才发亮响应。为了验证这一设计，研究人员打印了一层薄薄的含有“输入电路”(可产生信号的细菌和化学物质)的水凝胶丝，覆盖了另一层含有“输出电路”(可接收信号的细菌)的水凝胶丝。研究发现，只有两种细丝重叠时，含有“输出电路”的水凝胶丝才能发亮。此外，团队开发了一种模型，可以预测各种不同条件下，特定 3D 打印结构中细胞的交互作用。这个模型能够为设计响应型材料提供指导。
研究人员这项技术可用于制备可穿戴传感器及交互显示器中的“活性”材料通过其中的活细胞，使材料能够感知环境中化学物质和污染物以及 PH 和温度的变化。另外，他们计划制备定制化的传感器，比如可以检测各种分子化合物的贴纸型传感器。他们认为该技术不应该局限于表皮仪器，还设想将其用于制造药物胶囊和外科植入物。
研究人员还表示，“未来可以利用这种技术打印‘活的计算机’。这种计算机结构中含有多种类型的细胞，它们相互联系，并传输信号，就像微芯片上的晶体管一样。当然这还很遥远，但是我们希望可以打印可穿戴的计算平台。”
该成果发表在《先进材料》期刊上。这项研究得到了美国海军研究办公室、国家自然科学基金、国立卫生研究院以及麻省理工 Soldier Nanotechnologies 研究所的支持。
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