“活墨水”听起来像是哈利·波特小说中的幻想。但实际上，科学家们用它来描述一种新型的 3D 凝胶，其中掺杂了细菌，这些细菌可以产生有助于伤口愈合和水净化的分子。通过添加各种细菌，该材料可以针对不同的用途进行定制，并从 3D 打印机的喷嘴中喷出，形成多种有用的形状。
尽管细菌会引起感染，但它们也是多用途的“主力军”。各种类型的微生物可以分解污染物、合成有用的化合物，并进行光合作用和其他代谢过程。“我们认为，3D 打印可能是将这些细菌构建成功能材料的一个很好的机会，”瑞士联邦理工学院（苏黎世联邦理工学院）研究复杂材料的博士后研究员、一篇描述该过程的新论文的作者帕特里克·鲁斯说。该论文今天发表在《科学进展》上。
他和他的同事首先设计了一种水凝胶，一种可以吸收大量水的聚合物网络。例如，明胶就是一种水凝胶。这种水性结构使凝胶可以通过 3D 打印机的喷嘴流动，然后在之后凝固。该团队的水凝胶含有两种基于糖的聚合物成分——透明质酸和海藻提取物卡拉胶——以提供结构并滋养细菌。该凝胶还含有气相二氧化硅，这使得材料更粘稠和富有弹性。在将细菌添加到凝胶中后，该材料会喷出并形成一个有弹性的网络，保持其打印形状。
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这种新材料的一个有希望的应用是对伤口和烧伤进行定制治疗。在凝胶中的营养物质和氧气的滋养下，被称为木醋杆菌的细菌会产生纤维素，这是一种在伤口表面放置时可加速愈合的分子。它为皮肤移植或工程组织提供了良好的支架。用纤维素包覆移植的器官也可以降低其排斥的风险。对于所有这些用途，与身体部位紧密贴合更好。含有细菌的水凝胶可用于根据 CT 扫描制作与身体部位或器官形状完全一致的纤维素敷料，鲁斯说。
为了验证这一想法，研究人员用木醋杆菌制成了水凝胶。他们使用一台可以处理弯曲表面的 3D 打印机，将一层薄薄的水凝胶沉积在娃娃的脸上。在温暖潮湿的环境中放置四天后，细菌将水凝胶表面转化为由纤维素制成的表面。纤维素仅在水凝胶表面生成，因为那里氧气最多——因此，该方法产生适用于伤口治疗的薄涂层。“这个结果是首次通过 3D 打印细菌生产图案化材料的例子，”代尔夫特理工大学的生物纳米科学教授安妮·梅耶说，她没有参与这项研究。她的团队开发了一种较早的用藻类产生的聚合物藻酸盐制成的细菌水凝胶，但没有将其制成功能性产品。
类似的细菌材料可以帮助清洁环境。苏黎世联邦理工学院团队制作了一个水凝胶网格，其中包含一种可分解污染物苯酚的恶臭假单胞菌。该网格在约六天内清理了苯酚溶液。梅耶指出，这对于生物修复来说是一个方便的设置，因为网格中的细菌可以重复使用或转移到新的位置。
但是，可重复使用性可能存在问题。当研究人员冲洗网格并在新的苯酚溶液中重复实验时，清理时间缩短到一天，这很可能是因为一些细菌逃逸到溶液中，而更多的细菌则继续在基质中生长。德克萨斯大学奥斯汀分校的化学家杰森·希尔说，这可能会使清理更有效，但在实践中可能不太理想，因为它可能会将细菌引入环境，他没有参与这项工作。
鲁斯说，该团队仍在改进该材料，以便进行现实世界的测试。因为“活墨水”可以用任何种类或组合的细菌制成，所以研究人员也在考虑其他应用。例如，他们希望通过设计一种含有亲脂性聚合物（可以吸收油而不是水）的水凝胶来解决石油泄漏问题。一旦它吸收了石油，凝胶内部的细菌就可以分解石油。