使用 GelMA 生物打印生物膜
探索微生物领域
微生物学领域中，微生物的繁殖和相互作用对我们的健康有着重要影响，而生物膜则成为一个关键领域。生物膜可能引发慢性呼吸道感染，并在骨科和心脏手术后带来严重问题。仅在美国，就有超过280万例抗生素耐药感染，导致35,000人死亡（美国疾病控制与预防中心数据）。因此，生物膜对临床医生和微生物学家而言是一项重大挑战。
生物膜：微生物的隐藏世界
传统上，我们对细菌进行研究时主要关注其作为单细胞生物体的特征，并将其在曝气瓶等实验室条件下进行培养，认为它们是同质的。然而，这种传统对于理解细菌作为分散单细胞状态的认识受到了生物膜的发现所挑战。
生物膜是由多个细菌组成的三维群落，这些细菌在自己产生的聚合物基质上附着并形成结构。在感染过程中，当细菌处于游离状态时，抗菌治疗通常是有效的。但一旦形成生物膜，细菌的耐药性可以增加高达1000倍，导致抗菌药物失效，并在某些情况下对手术等侵入性治疗产生影响。
这些复杂的多细胞结构引起了卡罗林斯卡学院的 Ferdinand Xiankeng Choong 教授的兴趣。
尽管地球上的大多数细菌存在于生物膜内，但现有的选择抗生素和开发新抗生素的方法主要是通过针对浮游状态细菌的抗生素敏感性测试（AST）进行的。这意味着根据AST确定的剂量和治疗方案可能无法有效治疗与生物膜相关的感染。
这个认识在钟博士的脑海中引发了一个深刻的问题：
“如果我们现有的细菌研究测试和方法存在根本缺陷，那么我们该如何应对呢？”
受到这个问题的启发，卡罗林斯卡学院的团队开始研发一种专门针对生物膜的抗生素敏感性测试（AST），旨在广泛适用于各种细菌类型。为了实现这一目标，他们首先需要深入了解生物膜形成的复杂过程。
Ferdinand Xiankeng Choong 教授是卡罗林斯卡学院综合医学与工程科学促进中心 (AIMES) 的跨学科科学家，他的研究专注于微生物学和生物传感器的开发。
生物打印: 研究生物膜的新工具
Choong博士认识到利用生物打印等新技术的必要性，并提出了一些新颖而有趣的问题。他的团队不再采用传统方法，而是通过探索使用3D生物打印引入接种物（含有细菌的液体）的影响，利用GelMA（甲基丙烯酸明胶）生物墨水作为细菌的介质进行实验。
在传统实验中，研究人员会在培养基中加入一滴接种物。当细菌菌落开始生长时，它们形成类似眼睛的圆形形状。由于菌落会产生大量的物质，压力逐渐增大。这导致菌落向上折叠，因为空间有限，最终导致外观变得粗糙。
Choong教授表示：“如果外观与压力有关，那么改变我们引入接种物的方式可能会导致完全不同的菌落形态。这个方面尚未得到充分探索，主要是因为传统的生物膜生长需要液体介质在与表面接触时进行扩散。”
研究人员需要了解菌落形态背后的机制，这促使他们在项目中利用生物打印技术进行研究。
利用GelMA生物打印细菌
水凝胶的非常规用途
Choong教授的团队认识到水凝胶在非常规应用方面的潜力，即用于细菌的培养，而不是传统的抗菌剂保存方法。
细菌通过吸收宿主的细胞外物质（如富含胶原蛋白的结缔组织）来形成生物膜。基于这一观察，该团队选择在实验中使用GelMA（一种天然蛋白质，来源于胶原蛋白）作为细菌的培养基。
面对非传统应用中使用GelMA水凝胶的挑战，该团队面临着一些困难。由于细菌的特性，无法通过紫外线固化或盐交联来固化凝胶。此外，固化的3D模型可能会阻碍细菌在结构中游动，并完全阻止生物膜的形成。然而，由于GelMA的形态特性，该团队能够克服这一挑战，保持打印结构的形状，甚至无需固化材料。
此外，该团队还成功建立了打印凝胶的质量与体积之间的强相关性，以准确评估和控制实验中使用的凝胶体积。这是将生物打印技术应用于微生物领域的重要第一步。
“结合生物打印技术为我们带来了新的挑战和未解决的问题，这开辟了新的探索领域，为转化为新的研究领域提供了可能。”
— Choong教授
重新定义生物膜 — 生物打印实验的新见解
通过使用GelMA生物打印细菌，该团队能够精确控制接种细菌的表面积、表面特性和具体形状。这种新颖的方法对传统对生物膜形成的理解提出了挑战，并为菌落形态提供了新的见解。
在研究过程中，最令人着迷的发现之一是将细菌接种在液滴中。细胞外基质主要在液滴边缘产生，而不是在中心产生。这一结果挑战了生物膜形成量取决于菌落年龄且在液滴中心最高的传统预期。
为了进一步研究这一现象，该团队通过3D打印一个空心的圆形结构，中间没有任何细菌。结果显示，细菌根本没有在空心圆内生长。细菌能够感知到对面的邻居存在，并意识到朝向那个方向生长并不利。
此外，研究小组发现生物膜产生的细胞外基质的量受到相邻生物膜数量和它们之间角度的影响。较大的角度导致更多的基质产生，而较小的角度导致更少的基质生成。
细菌的生物打印过程
“ 打印过程本身非常方便。”
首先，将GelMA溶解并准备好生物墨水。接着，将细菌加入到生物墨水中，并立即将其放入温控打印头中。使用 BIO X6生物打印机，将不同几何形状（例如实心圆形、空心圆形、空心三角形）直接打印在生长培养基上。随后，将打印好的细菌结构放入培养箱中进行培养。
“BIO X6 是最用户友好的生物打印机，符合处理细菌的安全法规。它具有内置的HEPA过滤器、UV-C灯和带有垂直电动门的层流系统，创造了类似于生物安全柜的无菌环境。使用BIO X6可以避免污染问题，并节省将培养皿从打印机转移到生物安全柜的时间。打印头还配备了保温帽，使我们能够打印温度敏感的生物墨水，如GelMA。” ——AIMES博士后研究员Sivakoti Sangabathuni博士解释道。
与CELLINK
合作
我们非常看重与学术界和行业的合作伙伴关系，因为这使我们能够汇集不同的专业知识和观点。
与CELLINK合作对我们的研究非常有价值。我们得到了具体的答案和经过充分测试的材料，确保结果的可靠性。
CELLINK产品的质量保证是我们的关注重点，特别是在研究动态实体如细菌时。”
– Choong博士
生物打印生物膜：在医疗和工业领域的应用
能够在3D环境中创建生物膜只是Choong博士团队迈出的第一步。接下来，他们计划将不同的物质（例如用于伤口消毒的化学物质）掺入水凝胶中，以开始挑战生物膜。
Choong博士的目标是开发直接测试生物膜抗生素敏感性的方法，以为需要使用更少和更准确抗生素的患者提供更好的治疗，并帮助避免抗生素过度或不足的问题。这种新方法不仅有利于患者，还可以通过将物质固定在凝胶中最大限度地减少可能产生飞溅或雾化的危险液体的使用，从而提供更安全的环境。
在未来，该团队希望通过生物打印技术实现从将抗生素嵌入水凝胶中到将细菌接种到抗生素敏感性测试中的整个过程。
对于微生物学研究，生物打印带来了建议和令人兴奋的可能性。
“这是一项令人兴奋的技术。有许多值得探索的领域！对于我们AIMES团队致力于将技术从一个学科转化到另一个学科的人来说，这是一种激发研究发展的令人兴奋方式。当您使用新技术时，您可以更好地回答工作中的问题，同时也会发现许多新问题，从而产生新的、令人兴奋的研究。”
如果您对将生物打印纳入您的研究中感兴趣...
我们的专家很乐意为您提供指导并引导您朝着正确的方向前进。
