科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的研究团队近日在《Science Advances》发表了一项突破性成果：利用3D生物打印技术，将发光海洋微生物嵌入海藻酸钠水凝胶支架中，并通过化学方式取代传统的机械激活，大幅延长了该类活性发光材料的功能寿命，实现了可重复使用。这项研究由土木、环境与建筑工程系教授Wil Srubar和该系研究助理Giulia Brachi共同领导，探索了无需电力、仅依靠生物产生光的未来可能性。

研究聚焦于单细胞海洋甲藻“Pyrocystis lunula”，它在受到物理扰动时会自然发光。以往类似研究依赖机械刺激，但机械刺激会导致细胞结构退化并限制设备一次性使用。科罗拉多团队转而通过酸性（pH 4）和碱性（pH 10）的可控环境，利用pH依赖的细胞内化学过程直接触发生物发光发射。将化学预处理与机械压缩相结合后，总发光输出比对照组增加了两倍以上。

团队配制了浓度为4 wt%的海藻酸盐生物墨水，使用氯化钙（CaCl₂）进行部分预交联，然后通过配备22G锥形喷头的BIO X挤出式生物打印机（Cellink）进行挤出。扫描电子显微镜证实，打印后的构建体保留了互连多孔结构，支持营养物质交换和细胞留存。荧光成像显示，打印后细胞立即在水凝胶中均匀分布。

在持续四周的纵向测试中，经酸刺激组的构建体在所有四周的刺激周期中均保持生物发光输出；而经碱处理组到第四周时总信号下降了97%，第三周时功能性已完全丧失。采用Kaplan-Meier风格分析的统计报告显示，酸处理组在第四周时仍有75%的发光活性，碱处理组在第三周时已降至0%。研究助理Giulia Brachi表示：“当我们找到合适的化学刺激物，使光能长时间保持时，那是一个非常激动人心的时刻。这是我们第一次弄清楚如何维持生物发光。”

研究人员认为，该工作建立了一个可重复使用的平台，可应用于生物传感、软体机器人和环境监测。未来工作将专注于扩展化学刺激的范围，并整合多种输入类型。这项研究的共同作者还包括Jessica McKean、Cheng Pau Lee和Joy Edwin-Ezeh。