麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的木細(xì)胞，它們可以構(gòu)成一種新型，更具可持續(xù)性的3D打印生物材料的基礎(chǔ)。通過(guò)培養(yǎng)植物基的組織，研究人員已經(jīng)能夠調(diào)整其形態(tài)，并消除了通常需要獲取木材的浪費(fèi)性采伐。盡管該小組的研究仍處于初期階段，但他們認(rèn)為，將來(lái)可以將其部署為3D打印環(huán)保家具的手段，或者生產(chǎn)可緩解日益嚴(yán)重的森林砍伐危機(jī)的合成木材。

該研究的主要作者阿什利·貝克維斯（Ashley Beckwith）說(shuō)：“當(dāng)我們只使用一小部分植物時(shí)，我們會(huì)投入大量資源來(lái)種植整個(gè)植物。復(fù)制不那么依賴(lài)土地的材料?！?/span>

研究人員的一種3D生物打印的培養(yǎng)物，其中含有木質(zhì)素細(xì)胞。圖片來(lái)自《清潔生產(chǎn)雜志》。

在生產(chǎn)中更換木材

與化石燃料相比，木材和其他植物基材料因其可再生性而廣受贊譽(yù)，因此，它們經(jīng)常用于制造消費(fèi)品和發(fā)電。但是，我們對(duì)木材的過(guò)度依賴(lài)日益導(dǎo)致大規(guī)模的森林砍伐，這可能對(duì)環(huán)境造成持久的影響。

從本質(zhì)上講，木材的生長(zhǎng)和收集方式幾百年來(lái)一直沒(méi)有改變，因?yàn)樵谑斋@有用的木屑之前先將整個(gè)植物進(jìn)行耕種，然后將其余的作為自然廢物燃燒。這種方法導(dǎo)致許多樹(shù)木被丟棄，并且考慮到土地，肥料和運(yùn)輸?shù)某杀荆蚕喈?dāng)昂貴。

相比之下，實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的材料具有潛力，可以緩解農(nóng)業(yè)壓力，因?yàn)樗鼈兛梢园匆?guī)格生長(zhǎng)，從而無(wú)需丟棄不想要的碎片。在其他地方，作為“微繁”習(xí)俗的一部分，將小型植物樣品種植到大面積的種子中并重新分配，但該方法具有高度的選擇性，通常僅用于保存最稀有的物種。

但是，如果將其應(yīng)用于更廣泛的木材生長(zhǎng)中，微繁可能產(chǎn)生更廣泛的影響，從而大大減少了種植植物性材料的時(shí)間。通過(guò)結(jié)合這些方法，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)因此開(kāi)發(fā)了一種具有可調(diào)特性的新型生物材料，并試圖將其3D打印為可縮放的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

麻省理工學(xué)院科學(xué)家的3D生物打印方法。

研究人員的3D生物打印方法使他們能夠生產(chǎn)具有70％以上細(xì)胞活力的生物基結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自《清潔生產(chǎn)雜志》。

種植新型生物材料

為了進(jìn)行測(cè)試，科學(xué)家從經(jīng)過(guò)充分研究的百日草線蟲(chóng)植物物種中提取了活細(xì)胞，并使用營(yíng)養(yǎng)物對(duì)其進(jìn)行了培養(yǎng)，并將其懸浮在凝膠支架中。通過(guò)這樣做，研究小組允許植物細(xì)胞生長(zhǎng)到支架中，而無(wú)需陽(yáng)光或土壤，而僅產(chǎn)生可收獲的元素。

在細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中，研究人員能夠調(diào)整其激素濃度，pH值，密度和整體功能，從而確保他們生產(chǎn)出具有最佳性能的生物材料。經(jīng)過(guò)大量的修補(bǔ)后，研究小組設(shè)法對(duì)齊了細(xì)胞，使它們形成了木質(zhì)素增強(qiáng)的次生壁，并有效地轉(zhuǎn)變?yōu)槟举|(zhì)凝膠。

一旦他們的新材料準(zhǔn)備就緒，科學(xué)家就使用了結(jié)合了3D生物打印和注塑成型的方法來(lái)制造一系列薄的樹(shù)形測(cè)試結(jié)構(gòu)。盡管印刷品在十天內(nèi)顯示出70％以上的高細(xì)胞存活率，但它們的機(jī)械強(qiáng)度也很低，這目前限制了它們?cè)谥T如家具之類(lèi)的承重結(jié)構(gòu)中的使用。

因此，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)將他們的研究視為概念驗(yàn)證，證明了比當(dāng)前的農(nóng)業(yè)方法更有效地種植木材的可行性。隨著圍繞培養(yǎng)參數(shù)的進(jìn)一步研發(fā)，研究人員認(rèn)為，未來(lái)，他們的方法可能還會(huì)產(chǎn)生其他各種3D打印的家用產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品幾乎不會(huì)對(duì)自然界造成破壞。

貝克威斯總結(jié)說(shuō)：“我不知道我會(huì)種植一個(gè)完全組裝好的桌子，因?yàn)樗皇呛芎玫乩每臻g，但是它有潛力。這是一個(gè)很好的愿景，人們真的接受了這個(gè)概念，所以我希望我們引起更多的興趣，并吸引更多的人參與，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/span>

生物基印刷材料

隨著防止全球變暖的競(jìng)賽日趨白熱化，科學(xué)家們現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)合成生物材料，以作為天然原料的更可持續(xù)的替代品。

弗萊堡大學(xué)的研究人員對(duì)MIT團(tuán)隊(duì)采取了不同的方法，并創(chuàng)造了自己的新穎的木質(zhì)3D打印材料。德國(guó)團(tuán)隊(duì)使用復(fù)合纖維素球生產(chǎn)了一種生物合成聚合物，可以在輕型建筑或工業(yè)應(yīng)用中使用。

同樣，作為歐盟支持的NOVUM項(xiàng)目的一部分，研究人員目前正在3D打印纖維素基部件，用于汽車(chē)，船舶或電氣絕緣行業(yè)?？傮w而言，該計(jì)劃旨在提高全球資源效率，以此作為應(yīng)對(duì)氣候變化和建設(shè)更循環(huán)經(jīng)濟(jì)的手段。

在更多的實(shí)驗(yàn)研究中，德國(guó)聯(lián)邦材料研究與測(cè)試研究所的科學(xué)家正試圖將3D打印白蟻垃圾轉(zhuǎn)化為環(huán)保結(jié)構(gòu)。盡管新型生物材料最初顯示出較低的機(jī)械強(qiáng)度，但也能夠在沒(méi)有聚合物添加劑的情況下噴射粘合劑。

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