“活墨水”聽起來像是哈利·波特小說中的幻想。但實際上，科學家們用它來描述一種新型的 3D 凝膠，其中摻雜了細菌，這些細菌可以產生有助於傷口癒合和水淨化的分子。透過新增各種細菌，該材料可以針對不同的用途進行定製，並從 3D 印表機的噴嘴中噴出，形成多種有用的形狀。
儘管細菌會引起感染，但它們也是多用途的“主力軍”。各種型別的微生物可以分解汙染物、合成有用的化合物，並進行光合作用和其他代謝過程。“我們認為，3D 列印可能是將這些細菌構建成功能材料的一個很好的機會，”瑞士聯邦理工學院（蘇黎世聯邦理工學院）研究複雜材料的博士後研究員、一篇描述該過程的新論文的作者帕特里克·魯斯說。該論文今天發表在《科學進展》上。
他和他的同事首先設計了一種水凝膠，一種可以吸收大量水的聚合物網路。例如，明膠就是一種水凝膠。這種水性結構使凝膠可以透過 3D 印表機的噴嘴流動，然後在之後凝固。該團隊的水凝膠含有兩種基於糖的聚合物成分——透明質酸和海藻提取物卡拉膠——以提供結構並滋養細菌。該凝膠還含有氣相二氧化矽，這使得材料更粘稠和富有彈性。在將細菌新增到凝膠中後，該材料會噴出並形成一個有彈性的網路，保持其列印形狀。
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這種新材料的一個有希望的應用是對傷口和燒傷進行定製治療。在凝膠中的營養物質和氧氣的滋養下，被稱為木醋桿菌的細菌會產生纖維素，這是一種在傷口表面放置時可加速癒合的分子。它為皮膚移植或工程組織提供了良好的支架。用纖維素包覆移植的器官也可以降低其排斥的風險。對於所有這些用途，與身體部位緊密貼合更好。含有細菌的水凝膠可用於根據 CT 掃描製作與身體部位或器官形狀完全一致的纖維素敷料，魯斯說。
為了驗證這一想法，研究人員用木醋桿菌製成了水凝膠。他們使用一臺可以處理彎曲表面的 3D 印表機，將一層薄薄的水凝膠沉積在娃娃的臉上。在溫暖潮溼的環境中放置四天後，細菌將水凝膠表面轉化為由纖維素製成的表面。纖維素僅在水凝膠表面生成，因為那裡氧氣最多——因此，該方法產生適用於傷口治療的薄塗層。“這個結果是首次透過 3D 列印細菌生產圖案化材料的例子，”代爾夫特理工大學的生物奈米科學教授安妮·梅耶說，她沒有參與這項研究。她的團隊開發了一種較早的用藻類產生的聚合物藻酸鹽製成的細菌水凝膠，但沒有將其製成功能性產品。
類似的細菌材料可以幫助清潔環境。蘇黎世聯邦理工學院團隊製作了一個水凝膠網格，其中包含一種可分解汙染物苯酚的惡臭假單胞菌。該網格在約六天內清理了苯酚溶液。梅耶指出，這對於生物修復來說是一個方便的設定，因為網格中的細菌可以重複使用或轉移到新的位置。
但是，可重複使用性可能存在問題。當研究人員沖洗網格並在新的苯酚溶液中重複實驗時，清理時間縮短到一天，這很可能是因為一些細菌逃逸到溶液中，而更多的細菌則繼續在基質中生長。德克薩斯大學奧斯汀分校的化學家傑森·希爾說，這可能會使清理更有效，但在實踐中可能不太理想，因為它可能會將細菌引入環境，他沒有參與這項工作。
魯斯說，該團隊仍在改進該材料，以便進行現實世界的測試。因為“活墨水”可以用任何種類或組合的細菌製成，所以研究人員也在考慮其他應用。例如，他們希望透過設計一種含有親脂性聚合物（可以吸收油而不是水）的水凝膠來解決石油洩漏問題。一旦它吸收了石油，凝膠內部的細菌就可以分解石油。