查看: 4218|回复: 1

[资讯] 5个应用3D打印技术的生物黑客实验室

[复制链接]
原文作者:Biohacking Safari   译:吕绍柔
由Makezine.TW官方授权   原文链接: Make

1.jpg

全球Maker与生物黑客之间最主要的桥梁,应该就是强大的3D打印机了。他们之间显著的差别在于,生物黑客使用的并不是塑料材料,而是使用生物材料来打造3D构造,并采用由活生生的细胞组成的特殊生物链接来打印讯息或图案。

2.jpg
人类细胞于去细胞的苹果切片中培养(左),及一片苹果削成耳朵形状(右),Pelling实验室制作。
Bonnie Findley

BioCurious生物打印的起源

位于北美的BioCurious是生物黑客社群的必经站。这个先驱空间位于加州桑尼维尔,驻有多位优秀的人才一起合作进行DIY生物打印专题。他们的生物打印冒险始于2012年的第一场聚会。根据和MariaChavez 共同领导此专题的PatrikD’haeseleer表示,他们希望能找到可吸引新人迅速加入并合作的社群专题。虽然没有一位专题领导人有具体的生物打印应用想法,也没有人有打造这类型打印机的先备知识。不过这样的科技看起来仍然可行,有机会可以尝试。
「你可以直接使用一般市售的喷墨打印机。将市售的墨盒切除一部分,倒出墨水,并将别的东西装进去,这样就可以打印了。」D’haeseleer解释。
BioCurious最初以天然的植物性阿拉伯糖取代墨水,打印出一张大咖啡滤纸。它们将滤纸放在培养皿中的大肠杆菌上,阿拉伯糖所在的地方会形成绿色的荧光蛋白。在打印阿拉伯糖之处,细胞就会发光。
将市售打印机做出这样的改动具有很大的挑战性。「你可能需要重设打印机的驱动程序,或拆掉处理纸张的机械部分,才能进行你想做的事情。」D’haeseleer表示。

3.jpg
BioCurious首创佳绩的150美元DIY生物打印机:能用喷射打印机喷头将发光的大肠杆菌打印于洋菜上。
Patrik Dʼhaeseleery

也因此团队打算从无到有,打造自己的生物打印机。他们的第二代打印机使用的是CD驱动器的步进马达,以墨盒做为喷头,并使用开源式Arduino控制板驱动-一台DIY生物打印机,只要150美元,就在Instructables。
接下来,也是目前的挑战,便是要处理墨水的浓度问题。市售墨盒适用于水性的墨水,但是生物墨水需要的是胶状的高黏度材料。DIY生物打印机团队尝试了不同的注射帮浦设计,希望可以用「生物喷头」来射出少量的黏性液体。

4.jpg
BioCurious早期的打印机:将11美元的注射帮浦安装在用DVD驱动器制作的平台上。
Patrik Dʼhaeseleery

迈向3D
从现有的3D平台着手,似乎是将2D图案带往下一个阶段最好的做法。这个团队一开始先在现有的3D打印机上直接安装生物喷头。然而,他们若要设计出能够贩卖的机型,则需要更复杂的工程,软件也需要调整才能让打印过程更加完美。经过了几个月,他们来到了死胡同。
他们接下来的尝试则是受到RepRap系列3D打印机的影响。此生物打印团队购买了一台开源的打印机套件后,得以将塑料喷射喷头换成可弯曲的管子,连接到一组注射帮浦。这个方法成功了。

5.jpg
使用开源式注射帮浦,将RepRap改造成BioCurious最新3D生物打印平台。
Maria Chavez

「RepRap社群使得整个3D打印革命变得可能。」D’haeseleer说道。
很快地,3D生物打印社群便出现了。他们在家中或是生物黑客空间进行实验,如BioCurious、BUGSS、Hackteria等地,并将他们的实验分享出去。

与生命共事

生物打印最令人梦寐以求的,便是生产可供移植的3D器官。要改造人类或哺乳动物的细胞是非常复杂的一件事,必须要有人每天待在实验室里照顾细胞,并尽可能地维持无菌的状态。由于种种阻碍,生物打印团队目前的长期专题,便是打造一个用来验证概念的机能性植物器官,让其能进行光合作用。也就是一片人工叶子!
目前尚未有太多和植物细胞相关的专题,仍有许多研究的空间。你必须先知道你需要使用何种细胞类型、如何让细胞链接、3D结构的叶子会长什么样子等。D’haeseleer表示,3D打印植物细胞比起哺乳类动物细胞,更适合DIY社群实验室。
不管成功与否,这件事最有趣的部分在于测试以及观察实验对象如何生长。即使生物黑客对研究的潜力大感吃惊,但对他们来说,商业上的应用并非唯一目的。
「我们并非以目的为取向,并非想要以生物打印创业、贩卖商品、赚百万把银子……因为并没有太多植物急需进行叶子移植!我们参与这项专题是因为很有趣。我们每一周都有进展。」D’haeseleer说。

用植物细胞进行3D生物打印
打印植物细胞的第一步,便是研究要使用何种材料,才能支撑细胞直到它发展完全并产生连结。BioCurious现有的一些实验,是利用一种名为海藻酸的凝胶状材料,这种材料具有相当有趣的特性。海藻酸钠易溶于水,但有黏性的海藻酸钙却会立刻凝固。这与食品科学的晶球化技术十分类似,能够制造含有液体的球体。(点这里看义式普切塔配料的冷油晶球化技术

6.jpg
BioCurious测试海藻酸DIY的可能性及可使用的生物墨水。
Maria Chavez

目前,他们正在测试许多注射帮浦设计,使用的都是一样的对应方式:一个注射帮浦内含有海藻酸溶剂与细胞,另外一个则含有氯化钙。当两种材料相遇,结构就会固化,然后便可以印出内嵌细胞的固体。目前正在进行优化中。
另一项挑战是选择使用何种细胞类型。「我们应该要分类所有的细胞,然后打印细胞到我们认为它们所属的地方吗?还是要印出没有分类的细胞,并同时打印生长因子,让他们在原本的位置进行分类和重组?」对D’haeseleer来说,这个问题依然没有答案。DIY团队对各种不同的细胞进行了实验,并不建议使用人们常用的萝卜细胞。这类干细胞没有分类,也就是说,他们有可能在良好的环境下,生长出不同的细胞类型,但通常都受到污染。

7.jpg
BioCurious手动喷射生产的海藻酸凝胶。
Maria Chavez

其他进行生物打印的团队

BUGSS──巴尔的摩

8.jpg
BUGGS用生物兼容性树脂制作的生物光聚合打印成品。
BUGGS提供

巴尔的摩地下科学空间(BaltimoreUnderground Science Space)现在正在开发3DP.BIO这个平台,集结科学家、工程师和设计师加速研究开发。他们使用树脂打印机,致力开发控制程序和可制作细胞3D支架的生物兼容性树脂。

伦敦生物黑客空间

9.jpg
JuicyPrint使用汉氏葡糖酸醋酸杆菌(G. hansenii)和果汁,由细菌纤维素制造出可用的形状。
Alasdair Allan

伦敦生物黑客空间的JuicyPrint,使用以果汁做为食物来源的细菌「汉氏葡糖酸醋酸杆菌」当作打印材料。汉氏葡糖酸醋酸杆菌会产生一层细菌纤维素,一种强壮又格外多样化的生物聚合物。然而,杆菌经过基因改造后,无法在明亮的地方形成纤维素。经由照射不同图形的光,可以操控最终产物的结构,生产出以纤维素构成的有用形状。

Pelling实验室
10.jpg
Pelling实验室的「苹果耳朵」正在进行去细胞程序。
Andrew Pelling摄

另外一种生长组织或是器官的方法,便是用现有的3D结构当作细胞的支架。AndrewPelling解释了制作过程:「将苹果切成薄片,用肥皂和水清洗和​​消毒。这样就会留下纤细的网眼状纤维素,然后将人类的细胞注入其中,让细胞成长。」他的实验室目前正在制作长成人类耳朵形状的原型。

Counter Culture实验室
11.jpg
CounterCulture实验室的幽灵心赃(ghost heart)只剩结缔组织,其他细胞都被移除。
PatrikD’haeseleer摄

明明已经成形了,为什么还要使用3D打印?照片是奥克兰的生物黑客空间加州Counter Culture实验室制造的猪心专题​。
他们剔除器官捐赠者(猪)脏器的所有细胞,只留下结缔组织以制造「幽灵」器官,希望可以填入他们想要生长的细胞。

Makezine.TW官方授权   原文链接:Make




hnyzcj  版主

发表于 2017-4-22 08:45:12

大开眼界
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

为本项目制作心愿单
购买心愿单
心愿单 编辑
[[wsData.name]]

硬件清单

  • [[d.name]]
btnicon
我也要做!
点击进入购买页面
上海智位机器人股份有限公司 沪ICP备09038501号-4

© 2013-2020 Comsenz Inc. Powered by Discuz! X3.4 Licensed

mail