5个应用3D打印技术的生物黑客实验室

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

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。

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摄

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。

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摄

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。

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摄

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。

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摄

「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）

于BioCurious测试海藻酸DIY的可能性及可使用的生物墨水。

Maria Chavez摄

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。

于BioCurious手动喷射生产的海藻酸凝胶。

Maria Chavez摄

其他进行生物打印的团队

BUGSS──巴尔的摩

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

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摄

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

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

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。

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