前沿|绿色体积生物打印：利用散射光微藻构建具有光合作用活性的结构

2026年4月17日，德国德累斯顿工业大学Anja Lode与乌兹堡大学Tomasz Jungst等研究者在Trends in Biotechnology发表题为Green volumetric bioprinting: building photosynthetically active structures with light-scattering microalgae的研究论文，首次将体积生物打印(VBP)技术成功应用于光合微藻，在PEGDA-CNF光敏树脂体系中实现微藻的三维结构化包埋与功能化制造。

当前全球面临环境治理、碳减排、水资源净化及空间生命保障等多重挑战，微藻因具备高效固碳、产氧、污水处理等能力成为可持续生物技术的核心载体，但传统悬浮培养存在分离成本高、难以规模化集成应用等问题；挤出式3D生物打印虽可实现微藻固定化，却存在成型慢、复杂大尺寸结构制备困难、支撑结构复杂等局限。体积生物打印作为新一代光控快速成型技术，可在数秒至数分钟内一次性完成复杂三维构建体制造，对细胞机械应力小，非常适合构建高比表面积、大尺寸光合功能材料，然而微藻叶绿素引发的光散射效应一直是该技术应用的核心障碍，本研究正是针对这一难题开展系统性探索。

研究团队以PEGDA(聚乙二醇二丙烯酸酯)为主体树脂、CNF(纤维素纳米纤丝)为流变改性剂与成像对比剂、LAP为光引发剂，配制可光交联生物树脂，选用小球藻(Chlorella vulgaris)和栅藻(Scenedesmus sp.)两种模式微藻，系统探究细胞密度、树脂浓度对打印精度与成型效果的影响。

图1 打印可行性与形状保真度分析：(A)用于打印性评估的预设测试几何结构；(B)不同微藻密度与PEGDA浓度(含0.24% CNF)对打印精度的影响，标尺= 2 mm。

结果显示，微藻因叶绿素产生浓度依赖性光散射，直接限制可打印细胞密度与分辨率；在CNF含量固定为0.24%条件下，5%、7.5%、10%三种PEGDA浓度适配不同细胞密度，7.5% PEGDA为综合最优配比，在10×10? cells/g细胞密度下可稳定打印高精度复杂结构(如国际象棋棋子、埃菲尔铁塔微缩模型)，而50×10? cells/g高密度会显著降低打印精度，5% PEGDA体系在此密度下完全无法成型。打印精度分析表明，低细胞密度(2.5×10? cells/g)下孔隙尺寸与CAD设计匹配度达82.7%-117%，中等密度(10×10? cells/g)匹配度为 88.0%-95.3%，高密度则降至 47.7%-51.3%。

图2 打印精度评估：(A)样品几何分析与单孔面积标记示意图；(B)打印样品总孔面积与CAD 模板目标值的偏差对比；(C)单孔面积平均值对比；(D)单批次8个打印样品的CAD排布文件。

图3 打印分辨率与复杂结构制备：(A)不同微藻密度下正特征尺寸测试，标尺= 2 mm；(B) 最优条件下打印的国际象棋后(高2.5 cm)与埃菲尔铁塔微缩模型(高2 cm)。

长期培养实验证实，打印后微藻展现出优异的存活与增殖能力。小球藻初期存活率约58%，7天内回升至98% 以上，28天仍维持>94%；栅藻初始存活率超99%，全程稳定在92%以上。两种微藻在PEGDA-CNF交联网络中均能持续增殖，形成细胞簇，构建体由透明逐渐变为深绿色。

图4 体积生物打印构建体中微藻生长与存活率：(A)小球藻1–38天宏观培养图像；(B)(C)小球藻与栅藻28天明场成像及死活染色荧光图像，标尺= 1 mm；(D)两种微藻存活率定量统计。

本研究采用脉冲振幅调制(PAM)荧光法测定悬浮态与生物打印态微藻的光合效率，所用仪器为德国WALZ公司生产的蓝光版MINI-IMAGING-PAM(Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Germany)叶绿素荧光成像系统，配套控制软件为ImagingWinGigE。蓝色LED先发射一束低强度测量光，此时光系统Ⅱ(PSⅡ)的反应中心处于开放状态，产生最小荧光产量(Fo)；随后发射高强度饱和脉冲光，作为保护性反应，反应中心关闭，产生最大荧光产量(Fm)。使用软件的标准化功能测定Fo/Fm比值，完成测量校准。为获取微藻光合性能信息，在光化光照射期间，以20秒为间隔向样品重复施加饱和脉冲光，记录诱导动力学曲线。PSⅡ实际量子产额 Y(II)表征光系统Ⅱ的量子利用效率：Y(II)数值越高，表明PSⅡ吸收的光子中，被转化为细胞可利用的化学固定能的比例越高。在最优光强下进行300秒诱导动力学测定；所有样品均需暗适应至少5分钟，使全部反应中心处于开放状态。为便于本研究中光合活性的对比，将饱和光下测得的Y(II)值取平均值，以柱状图呈现，而非展示完整的诱导动力学曲线。光响应曲线测定采用梯度递增光强：0、4、46、122、276、425、624 μmol/(m2·s)；光曲线测定前，细胞需进行环境光适应。考虑到生物打印构建体的大孔结构，每个样品在固定位置选取5 个小感兴趣区域(AoI)，取平均值用于计算。

光合功能检测显示，28天培养后小球藻PSII有效量子产率Y(II)为0.382，栅藻为0.295，均保持高效光能转化效率；光曲线测试表明，小球藻在常规光照下光合效率更高，而栅藻对强光耐受性更强，在624 μmol/m2·s极端光强下仍维持低效率光合。产氧测试进一步验证，栅藻在32℃环境下可稳定产氧并在光照恢复后快速复苏，小球藻则对高温更敏感，体现出菌株应用场景的差异性。

图5 构建体中微藻光合效率评估：(A) PSII有效量子产率Y(II)与非光化学淬灭参数；(B)量子产率分布；(C)光强响应色标；(D)(E)小球藻与栅藻光曲线；(F)不同光照条件下溶氧浓度变化。

讨论与分析指出，叶绿素光散射是绿色体积生物打印的主要限制因素，可通过优化光引发剂波长、开发散射校正算法、改进光照策略等方式突破；PEGDA-CNF树脂虽因网络致密限制细胞迁移，但能有效将微藻限域在构建体内部，提升局部细胞密度，同时高透光性有利于光合效率维持。与挤出式打印相比，体积生物打印在成型速度、复杂结构制备、大尺寸化方面具备不可替代优势，所制备的光合构建体无需下游分离步骤，可直接用于污水处理、碳捕获、密闭空间氧供给等场景。本研究技术成熟度达TRL 4级(实验室验证成功)，后续需解决高密度打印、大尺寸构建体均匀光照、结构寿命与更换周期等问题，推动技术向TRL 5-6级(模拟实际环境验证)迈进，最终实现地球与地外环境下规模化应用。

总体而言，本研究成功建立微藻适配的体积生物打印体系，突破光散射瓶颈，实现高存活、高稳定、可持续光合的三维微藻构建体快速制造，为工程化活性材料(ELMs)在环境治理、空间生命支持、可持续生物制造等领域的应用提供全新技术路径。

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