劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家们开发了一种以受控模式3D打印生物的新方法，从而扩大了利用工程细菌回收稀土金属、清洁废水、检测铀等的潜力。

通过使用光和细菌注入树脂来产生3D模式微生物的新技术，研究团队成功地印刷了类似于现实世界中微生物群落薄层的人造生物膜。该研究小组将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并使用LLNL开发的用于微生物生物打印（SLAM）的3D立体光刻设备的LED光将细菌“捕获”在3D结构中。投影立体光刻机可以以18微米量级的高分辨率进行打印-几乎与人体细胞的直径一样薄。

在发表的在线论文中，研究人员证明了该技术可以有效地用于设计结构明确的微生物群落。他们展示了这种3D打印生物膜在铀生物传感和稀土生物采矿应用中的适用性，并展示了几何形状如何影响印刷材料的性能。

3D生物打印微生物

研究人员使用LLNL开发的用于微生物生物打印（SLAM）的3D立体光刻设备的LED光，将细菌悬浮在光敏生物树脂中，并将微生物“捕获”在3D结构中。投影立体光刻机可以以18微米量级的高分辨率进行打印-几乎与人体细胞的直径一样薄。

研究人员说：“我们正在努力推动3D微生物培养技术的发展。” “我们认为这是一个研究不足的领域，其重要性尚未得到很好的理解。我们正在努力开发工具和技术，研究人员可以使用这些工具和技术更好地研究微生物在几何复杂但高度受控的条件下的行为。通过访问和增强对微生物种群的3D结构进行更好控制的应用方法，我们将能够直接影响它们之间的相互作用方式，并改善生物制造生产过程中的系统性能。”

尽管看似简单，但研究人员解释说，微生物行为实际上极其复杂，并且受其环境的时空特性（包括微生物群落成员的几何组织）驱动。微生物的组织方式会影响一系列行为，例如它们如何生长，何时生长，饮食，如何合作，如何抵御竞争对手以及如何产生分子。

研究人员解释说，以前实验室中生产生物膜的方法使科学家几乎无法控制膜中的微生物组织，从而限制了人们充分了解自然界细菌群落中复杂相互作用的能力。在3D模式下对微生物进行生物打印的能力将使LLNL科学家能够更好地观察细菌在其自然栖息地中的功能，并研究诸如微生物电合成等技术，其中“吃电子的”细菌（电养菌）在非高峰时段将多余的电能转化为生产生物燃料和生物化学物质。

研究人员补充说，目前，由于电极（通常是导线或2D表面）与细菌之间的接口效率低下，微生物的电合成受到了限制。通过将设备中的3D打印微生物与导电材料结合起来，工程师应该实现具有高度扩展和增强的电极-微生物界面的高导电生物材料，从而产生更加高效的电合成系统。

生物膜在工业上越来越受关注，在工业上，生物膜可用于修复碳氢化合物，回收关键金属，清除船上的藤壶以及用作各种天然和人造化学物质的生物传感器。LLNL研究人员利用LLNL的合成生物学能力进行了基因改造，在其中对新月形细菌Caulobacter crescentus进行了基因修饰，以提取稀土金属并检测铀沉积，该研究人员在最新论文中探索了生物印刷几何形状对微生物功能的影响。

在一组实验中，研究人员比较了不同生物打印图案中稀土金属的回收率，结果表明，打印在3D网格中的细胞可以比传统的块状水凝胶更快地吸收金属离子。该小组还印制了活体铀传感器，与对照印刷品相比，观察到了工程细菌的荧光增强。

“这些具有增强的微生物功能和传质特性的有效生物材料的开发对许多生物应用具有重要意义，”研究人员说。“新颖的生物打印平台不仅可以通过优化的几何形状提高系统性能和可扩展性，而且还能保持细胞活力并能够长期保存。”

LLNL研究人员正在继续致力于开发更复杂的3D晶格并创建具有更好印刷和生物学性能的新型生物树脂。他们正在评估诸如碳纳米管和水凝胶之类的导电材料，以传输电子，并进料生物印染的电营养细菌，以提高微生物电合成应用中的生产效率。该团队还正在确定如何最佳地优化生物打印电极的几何形状，以最大程度地通过系统传输营养物质和产品。

研究人员说：“我们才刚刚开始了解结构是如何控制微生物行为的，这项技术是朝这个方向迈出的一步。” “同时利用微生物及其理化环境来实现更复杂的功能，其应用范围很广，包括生物制造，修复，生物传感/检测，甚至是工程生物材料的开发，这些材料是经过自动图案化并且可以自我修复或感知/响应的材料。他们的环境。”