通过将活性酵母细胞注入水凝胶中以作为3D打印油墨，来自华盛顿大学的研究人员使用3D打印技术制备了一种生物反应器。该生物反应器可以连续数天发酵，将糖转变为乙醇（ACS Appl. Mater. Interfaces，DOI：10.1021/acsami.8b02719）。方糖大小的凝胶晶格作为打印材料，可以使生物燃料、酿造啤酒、合成药物和其他化学品的生产变得更简便、更快、更便宜。
将活细胞嵌入水凝胶并不是一种新的想法。自20世纪80年代以来，研究人员一直试图将一些类型的细胞（如酵母、细菌和藻类）嵌入水凝胶中用于化学合成。这种凝胶通常会放入大型生物反应器中进行分批次生产，可以加速生产速度并降低生产成本。例如，为了制造乙醇，将酵母放入糖中，几天后关闭反应器，之后可以将醇产物从混合物中分离出来并清除死细胞。将细胞负载在凝胶上进行3D打印是制造生物材料设备的一种快捷方法。不过实现的难点在于将细胞均匀地混合到材料结构之中并能够保持材料力学性能及细胞生化或性。这是因为以前的大部分工作都使用了藻酸钙或透明质酸等生物聚合物，这些凝胶在工作几天后便开始降解，因此其中的细胞会过早死亡或渗出。
3D打印含酵母水凝胶晶格的流程
（来源：ACS Appl. Mater. Interfaces）
美国华盛顿大学的Alshakim Nelson和Mark A. Ganter所领导的研究团队，通过向Pluronic F127（一种市售的三嵌段共聚物）中加入二甲基丙烯酸酯来制备用作3D打印油墨的聚合物。该聚合物具有多种特性，使其成为一种很好的3D打印生物材料。首先，它是不可降解的。其次，它具有温敏特性（5°C时为液体，但在23°C时会变成凝胶），因此研究人员可以将酵母细胞加入冷液体中分散均匀，然后再加热成凝胶进行3D打印成型。研究人员使用酵母水凝胶油墨打印出边长15 mm的立方体晶格，并在晶格上照射紫外线使水凝胶发生交联。为了测试晶格的发酵性能，研究人员将晶格浸入含有2％葡萄糖的培养基中两周，每隔三至四天更换一次新鲜溶液。在两周时间内，细胞将大约90%的葡萄糖转化为了乙醇。
这个发酵的时间还可以变得更长，甚至达到数月之久。水凝胶在物理上限制了酵母的生长，但却可以让它们保持代谢活性。初步的研究显示这是非常有潜力的应用。研究人员目前的想法是打印这些晶格，将它们放入到柱子里，并让原料流过它们。这样的连续生产工艺比现在的生产方法（工业发酵和化学生产常使用间歇生产工艺）更具优势，提高了生产效率，降低了生产成本。通过使用其他类型的细胞和工程微生物，还可以生产其他有价值的化合物，比如抗生素和蛋白质。如果可以实现低成本大规模生产活性材料并使其足够稳定，该技术对于生产药物等高价值产品将非常具有吸引力。研究团队正在试图评估使用3D打印材料制作的反应器与传统间歇式生产反应器的生产优劣。如果这项技术能够得到工程生物学的支持，相信会成为跨时代革命性的技术。
