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。酸性刺激产生的峰值强度约为112,000光子计数，而碱性处理组约为43,000；酸性信号可在几分钟内保持稳定，碱性信号则快速衰减。

为了将自由游动的细胞转化为可用的材料，团队将P. lunula封装在4 wt%的海藻酸钠中，通过离子交联形成直径1.6毫米的水凝胶微珠。扫描电子显微镜显示，这种多孔内部网络支持营养和气体交换，同时物理保留了细胞。在30天内，最低接种密度150,000个/毫升的细胞代谢活力增加了六倍，表明在基质内发生了活跃增殖。同样重要的是，该配方通过挤出前对海藻酸盐进行部分预交联（使用氯化钙CaCl₂）而适应于3D打印——这调节了材料粘度以保持形状，同时不损害细胞活力。打印时配备22G锥形喷头的BIO X挤出式生物打印机（Cellink）进行挤出。荧光成像显示，打印后细胞立即在水凝胶中均匀分布。打印后的结构体在刺激后五分钟时，酸性条件下的发光强度是碱性的2.4倍，与悬浮培养结果一致。

团队还发现，化学刺激与机械刺激结合能放大输出：酸性预处理使细胞对后续压缩的发光响应提升至661个任意单位，而对照组仅为305。在耐久性测试中，持续四周的纵向测试显示：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，保持在200,000任意单位以上；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。」

两种化学刺激产生了截然不同的细胞行为：酸性刺激驱动出强烈、空间受限的发射，局限于离散的细胞内隔室；碱性刺激则迅速扩散为弥漫性的细胞整体发光。在群体尺度上，这一区别决定了光输出的稳定性和强度。

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。这项题为《化学刺激维持活体发光材料的生物发光》研究的共同作者还包括Giulia Brachi、Jessica McKean、Cheng Pau Lee、Joy Edwin-Ezeh和Wil V. Srubar III。