美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的研究人员开发出一种制造发光活体材料的新方法。他们将生物发光的海洋微生物嵌入3D打印的藻酸盐水凝胶支架中，并通过化学而非机械方式激活，从而显著延长了这类器件的功能寿命。该研究发表在《科学进展》（Science Advances）上。

研究团队使用的核心生物体是名为“Pyrocystis lunula”的海洋甲藻（单细胞微生物），这种生物在受到物理扰动时会自然发光。此前的研究依赖机械刺激来触发发光，但这会导致细胞结构随时间退化，并且器件只能单次使用。科罗拉多团队转而采用可控的酸性（pH 4）和碱性（pH 10）环境，通过pH依赖的细胞内化学过程直接触发生物发光。酸性环境产生局部的、持续的发光，而碱性环境则引发与细胞应激相关的弥散性双相响应。将化学预处理与机械压缩相结合，总光输出比对照组提高了两倍以上。

3D生物打印与长期性能

研究团队配制了4 wt%的藻酸盐生物墨水，使用氯化钙（CaCl₂）进行部分预交联，并通过配备22G锥形喷嘴的BIO X挤出式生物打印机进行打印。扫描电子显微镜证实，打印出的结构保持了相互连通的多孔结构，这有助于营养物质交换和细胞滞留。荧光成像验证了打印后水凝胶中细胞分布的均匀性。在为期四周的纵向测试中，酸刺激的构造体在所有四周的刺激循环中均保持了生物发光输出。碱处理的构造体在第四周时信号总体下降97%，并在第三周完全丧失功能。采用类似Kaplan-Meier的分析显示，酸处理组在第四周仍有75%的发光活性，而碱处理组在第三周即为0%。

“当我们找到能让光长时间保持亮起的合适化学刺激物时，那是一个非常激动人心的时刻，”研究第一作者、土木环境与建筑工程系研究助理Giulia Brachi表示，“这是我们第一次弄清楚如何维持发光。”

研究人员认为，这项工作为生物传感、软体机器人和环境监测领域建立了一个可重复使用的平台。未来的研究工作将集中在扩大化学刺激物的范围以及整合多种输入类型上。该研究由土木环境与建筑工程系教授Wil Srubar和Giulia Brachi共同领导，合著者包括Jessica McKean、Cheng Pau Lee和Joy Edwin-Ezeh。专家指出，将活体微生物封装在3D打印水凝胶中并通过化学参数调控其功能，代表了“活体材料”领域从一次性演示向可重复使用、可编程器件迈出的重要一步。这种pH调控的发光机制有望被扩展用于检测环境化学变化或作为软体机器人的可视化反馈层。