将微生物群落整合于合成支架中的活性材料在生物催化领域展现出强大潜力，但如何在保持生物活性的同时维持空间结构仍面临重大挑战。本研究提出一种创新策略：将相分离水性微液滴嵌入3D打印水凝胶基质中，构建具有结构化的活性材料。液滴核心与支架聚合物之间的水相两相不混溶性确保物理分离，维持对微生物存活和代谢协作至关重要的独立液体微环境。最终材料不仅保持优异的结构保真度、细胞保留率和机械韧性，还能实现可编程的微生物组织。在连续流动条件下应用时，该材料可支持普通小球藻与枯草芽孢杆菌的互利共生长期生物催化作用，并降解合成废水中的偶氮染料。该策略为构建分隔式活性材料提供了通用化路径，使微生物群落的结构化部署成为可能，从而推动化学生物转化和工艺规模应用的发展。

图1.期刊封面图

上图为西西智研制作

在自然环境中，微生物群落通过协同作用在复杂的生化转化中表现出色。这种能力为可持续生物加工、发酵技术以及环境修复领域设计活体材料提供了巨大潜力。然而，人工合成环境往往会破坏细胞间的协同作用，导致快速生长菌种占据主导地位并引发系统失稳。余子夷团队开发了一种可3D打印的相分离微滴水凝胶系统，该系统能实现微生物群落的精确空间组织与持续协同功能，从而在连续流动条件下促进稳定的长期生物催化作用。这项工作为下一代生物催化技术领域做出了的重要跨学科突破。

图2.微液滴-水凝胶结构的设计与制备

a)微液滴-水凝胶制备策略示意图。具有CMC液态核心和GelMA固态外壳的相分离csHMPs被嵌入可3D打印的F127DA基质中。b) FITC 标记的GelMA（绿色）与罗丹明标记的F127DA（红色）共聚焦显微图像清晰显示核心、外壳及基质区域的分界，强度分布曲线表明边界清晰。c)打印结构的3D共聚焦重建显示F127DA基质内均匀分布的球形csHMPs。d)组分化学结构：F127DA、GelMA及CMC。

图3.微滴-水凝胶构建体中液芯稳定性和选择性渗透性的验证

a) csHMP的示意图，显示 FITC 标记的CMC液芯被GelMA壳层包围。b) 在低渗透压氯化钠溶液中对csHMP进行24小时延时荧光成像，显示其形态一致且 FITC -CMC荧光在液芯内具有强烈的空间限制。c) 使用罗丹明B标记的不同结构聚合物进行扩散实验，以探测GelMA壳层的渗透性。(i) RB-HB- PEGDA 迅速扩散至壳层和液芯，产生均匀信号；（ii）RB-GelMA和（iii）RB-F127DA胶束被排除在外，显示csHMP内荧光极微弱。定量荧光谱证实了由聚合物结构驱动的差异渗透性。d) 宏观层状模型展示了在制备相关条件下液芯的保留。（i，ii）CMC、GelMA和F127DA的顺序层叠后进行光聚合；（iii）切片结构显示交联和孵育后CMC液芯仍保持流动性。e) 打印构建体的SEM图像显示多孔F127DA基质中存在与脱水csHMPs对应的球形空隙，证实了天然状态下未交联、充满液体的微域的存在。

图4.含有微生物的微滴嵌入生物材料

a) 示意图展示普通衣藻（C. vulgaris）被封装于csHMPs中，随后通过3D打印形成F127DA支架用于培养。b) 明场图像显示普通衣藻在csHMPs（上）和HMPs（下）中7天内的增殖情况。c) 不同配方的叶绿素荧光定量分析表明，csHMPs和水凝胶内微滴系统中藻类生长更显著。d) 细胞滞留分析显示F127水凝胶微滴中的细胞滞留效果更优，长达8天的泄漏量极低。e)、f) 打印网格结构的照片展示了拉伸和压缩过程中的高保真度与强健性，凸显其机械韧性。g) 叶形结构随藻类生长逐渐变暗，表明打印后细胞活性持续存在。h) SEM图像显示多孔F127DA基质中含脱水csHMPs（左、中），高分辨率成像证实普通衣藻滞留于CMC核心（右）。i)–k) 通过共封装表达 GFP 和 RFP 的大肠杆菌菌株（输入比例10:1、1:10和1:20）形成的可编程微生物群落。8小时后的荧光测量反映菌株动态与竞争结果，共聚焦成像证实均匀分布及核壳结构完整性。

图5.空间受限微生物活性与连续流催化技术

a) 流式生物反应器示意图：在水凝胶微滴结构中整合了普通青霉（C. vulgaris）和枯草芽孢杆菌（B. subtilis）。普通青霉通过光合作用产生的氧气支持枯草芽孢杆菌的偶氮染料还原反应，后者在缺氧条件下表达还原酶。b) 和 c) 叶绿素与光密度测量显示，与单培养条件相比，共培养条件下普通青霉和枯草芽孢杆菌的生长均有所增强。d) 异质（独立封装）与均质（共封装）结构示意图。e)、f) 不同接种比例的普通青霉与枯草芽孢杆菌对染料降解的影响对比：异质结构与均质结构。g) 均质结构在连续流中的长期运行显示，经过36天、6个处理周期的持续脱色效率（>95%），证明其具有高度功能稳健性及可重构生物加工潜力

该研究构建了一种活体材料体系，该体系通过将相分离微液滴整合到可3D打印的水凝胶支架中，实现了微生物群落的空间化组织，从而实现连续流生物催化。该系统利用水相两相不混溶特性，形成离散的、细胞相容的液芯结构，并在机械强度优异的基质中实现物理稳定。这种分隔式架构不仅确保了微生物的高存活率，还能调控不同菌种间的动态关系，并实现精准的空间定位。当应用于流动系统时，该活体材料能支持普通克雷伯菌（C. vulgaris）与枯草芽孢杆菌（B. subtilis）的长期共生合作，实现多个操作周期内稳定的偶氮染料降解。该模块化策略为构建具有时空控制能力的活体系统提供了通用平台，其潜在应用领域涵盖生物制造、环境生物技术及合成微生物生态学。

本文内容来自期刊Angew. Chem. Novit 2025, 1, e70015 (1 of 9)。以Architected Living Materials with Embedded Microdroplets Hosting Microbial Consortia for Continuous Flow Biocatalysis为题的文章。原文链接：DOI:10.1002/anov.70015

余子夷

南京工业大学教授，博士生导师，材料化学工程全国重点实验室副主任

国家自然科学基金优秀青年科学基金项目获得者，国家重点研发计划“合成生物学”重点专项项目负责人，国家重点研发计划“绿色生物制造”重点专项青年项目首席科学家，江苏省“333”高层次人才，江苏特聘教授，南京市高层次举荐人才。中国化工学会微化工技术专业委员会青年委员，中国生物工程学会青年工作委员会委员，欧盟区克罗地亚科学基金评审专家，瑞士国家科学基金评审专家。

成都西西智研文化传媒有限公司是一个实力雄厚的科研可视化公司，深耕科研可视化领域多年，绘图作品在Nature, Science, Cell, JACS, Angew, EES等不同领域的顶级刊物发表。凭借专业实力已为超2000家国内外科研课题组提供服务，累计完成10000余幅高质量科研图片设计，以精湛的专业能力收获95%的客户推荐率。截至目前，经我们设计的作品已有30+次登上Nature系列期刊封面。尤为值得一提的是，我们的科研可视化服务项目连续入选2022、2023年度"中国科学十大进展"，并获得央视新闻CCTV-13专题报道，以硬核实力助力科研成果绽放光彩。

西西智研作品已见刊于多个顶级期刊，其中Nature正刊及其子刊系列作品见刊数量在国内科研可视化公司中名列前茅

科研绘图行业领军品牌，专注科研成果可视化领域10+年，国内领先的科学可视化整体解决方案提供商

随着视频期刊的发展壮大，越来越多的科研人员注意到了动画的巨大表现优势，CNS、NASA等也都选择将自己的重要成果用视频动画的方式传播出去，在项目申请、成果答辩、同行交流等诸多场景展示领域十分重要！目前为止，西西智研已为央视、国家自然基金委、诸多高校及企业、设计制作几十部科研动画，为其科研成果锦上添花。

有科研绘图需要，可扫上方二维码联系我们

论文插图封面设计，科学动画，作图排版与图文美化，医学插画，摘要图

西西智研，让科研绘图更专业、更简单