细菌生物膜是细菌在细胞外基质（由蛋白质、多糖、脂质和细胞外 DNA 组成）中的三维组合，它们牢固地附着在生物或者非生物表面。生物膜广泛存在于自然、医疗和工业环境中，它是一把双刃剑。工业上，它促进可持续过程，例如生物修复、材料合成或毒素降解；但在医学上，它可能会成为假肢、导管、缝合线、假牙和其他植入物的感染源。

（来源：维基百科）

由于大多数人类感染是由形成生物膜的细菌引起的，阐明生物膜抗性行为的原因可以促进更好地设计新的抗生物膜策略。然而，挑战在于如何实现生物膜成分的自上而下的空间模式，以探究它们对生物特性的影响。3D 打印可用于应对这一挑战。通过高度控制 3D 打印提供的形状、设计和分辨率的自由度可以模拟天然生物膜的空间异质性和机械强度。3D 打印的生物膜模型可能比实验室中常规研究的生物膜（在液体培养基或琼脂中生长）更好地模拟天然生物膜的 3D 组织，可用于研究生物膜对抗菌剂的紧急生物耐受性等特性。

近日，由荷兰 Delft University of Technology 生物纳米系的 Marie-Eve Aubin-Tam 博士和美国 University of Rochester 生物系的 Anne S. Meyer 博士共同领导的研究团队从大肠杆菌中培养出生物膜样本，并且使用 3D 打印技术操纵此类生物膜结构和机械性能。

大肠杆菌是一种革兰氏阴性兼性厌氧菌，可以在有氧或无氧的情况下产生能量。作为一种广泛研究的模式生物，它可以在 20 分钟内培养，已用于重组 DNA 研究。大肠杆菌生物膜的细胞外基质由卷曲纤维（一种蛋白质成分）或纤维素（一种多糖成分）或两者的组合组成，这种纳米复合基质赋予大肠杆菌细胞生物和机械耐久性。

用 3D 打印调整大肠杆菌生物膜的基质组成和设计原则是分析生物膜组成和结构对其紧急耐受性影响的有效方法。该团队采用了定制的 3D 打印机用于将形成生物膜的大肠杆菌任意图案化到琼脂基质上。不同菌株的大肠杆菌在其生物膜基质中表达纤维素 +/ 卷曲纤维 +、纤维素–/ 卷曲纤维 +、纤维素–/ 卷曲纤维–，生物膜被 3D 打印为四层结构，并测试它们对消毒剂的紧急生物耐受性。

经证明细菌生物膜可以有效被 3D 打印成不同的形状，并且 3D 打印的生物膜显示出对常用实验室消毒剂（如乙醇和 Virkon S）的耐受，细胞外基质成分特别是卷曲纤维的存在，在 3D 打印的大肠杆菌生物膜中对消毒剂的生物耐受性的发展中起着重要作用。

图 | 3D 打印生物膜暴露于不同浓度的 (A) 乙醇或 (B) Virkon S 10 分钟后的紧急消毒剂耐受性（来源：研究论文）

该研究团队还通过生物墨水和 3D 打印工艺的设计调整生物膜基质组成，例如改变细菌密度、卷曲密度和纤维素密度，这对这些消毒剂耐药性的发展产生重大影响。经过实验得出以下结论：底部细胞密度较高的生物膜设计比底部细胞密度较低的设计更能抵抗乙醇；调整每层中表达卷曲纤维的细菌的比例来调整卷曲纤维密度对乙醇的抗性没有影响；生物膜基质中的纤维素本身不能赋予 3D 打印生物膜对乙醇的紧急耐受性。

图 | 调整 (A) 细菌密度、(B) 卷曲密度和 (C) 纤维素密度对乙醇耐力的影响（来源：研究论文）

此外，该团队的 3D 打印生物膜保留了原先的形状，并显示出对物理变形的非凡抵抗力。这意味着这些 “印刷品” 可以可逆地附着在细菌纤维素、玻璃和聚苯乙烯等表面上。这些 3D 打印的生物膜有可能应用于医疗器械、废水处理、环境修复等方面的益生菌生物膜涂层。这为结合生物和材料科学的下一代智能材料铺平了道路。