以提供壹種環境友好和低廢物的替代品。去年年初，麻省理工學院的研究人員在實驗室培育了壹種由木本植物細胞組成的結構，這暗示了生產更有效生物材料的可能性。
當時研究人員說，做壹張木桌要花很多時間。種壹棵樹，砍倒它，運輸它，磨碎它...這是壹個持續幾十年的過程。麻省理工學院微系統技術實驗室的首席科學家和資深作者路易斯·費爾南多·維拉克斯-加西亞提出了壹個更簡單的解決方案:“如果妳想要壹張桌子，妳應該長出壹張桌子。”
而現在。這壹研究得到了進壹步深化。麻省理工學院的研究人員創造了壹種可調技術，可以在實驗室中生成類似木材的植物材料，使人們可以在不砍伐樹木和加工木材的情況下“種植”類似桌子的木制品。
這些研究人員證明，通過調整生長過程中使用的壹些化學物質，他們可以精確控制獲得的植物材料的物理和機械性能，如剛度和密度。
他們還表示，使用3D生物打印技術，可以種植自然界中不存在的形狀、大小和形式的植物材料，而這些植物材料是傳統農業方法難以生產的。
“我們的想法是，妳可以把這些植物材料種植成妳需要的形狀，這樣妳就不需要在事後做任何減料，從而減少能源和浪費。有很大的潛力將其擴展並發展成三維結構，”這篇論文的第壹作者、剛畢業的博士生阿什利·貝克維斯(Ashley Beckwith)說。
雖然仍處於早期階段，但這項研究表明，在實驗室中生長的植物材料可以調整為具有特定的特性，這將有壹天使研究人員能夠種植出具有特定應用所需的確切特性的木制品。例如足以支撐房屋墻壁的高強度材料，或者可以更有效地加熱房間的特定熱性能材料。路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯-加西亞·路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯-加西亞解釋道。
生物醫學工程師、查爾斯·斯塔克·德雷珀公司的團隊負責人傑弗裏·博倫斯(Jeffrey Boelens)與貝克維斯和維拉克斯·加西亞(Velaskes-Garcí a)壹起撰寫了這篇論文。該研究成果發表在5月25日的《今日材料》上。
為了開始在實驗室種植植物材料，研究人員首先從百日草幼苗的葉子中分離出細胞。細胞在液體培養基中培養兩天，然後轉移到含有營養物質和兩種不同激素的凝膠培養基中。
在這個過程中，通過調整激素水平，研究人員可以調整生長在營養豐富的培養基中的植物細胞的物理和機械特性。
“在人體內，妳的生長激素決定了妳的細胞如何發育，以及某些特征如何形成。同樣，通過改變營養液中的激素濃度，植物細胞的反應也是不同的。僅僅通過控制這些微小的化學量，我們就可以在物理結果上引起相當大的變化，”貝克威思說。
Velaskes-Garcí a補充說，在某種程度上，這些生長中的植物細胞的行為幾乎像幹細胞壹樣——研究人員可以給它們壹些提示，讓它們知道自己想成為什麽樣的細胞。
他們使用3D打印機將細胞培養凝膠溶液擠壓到具有特定結構的培養皿中，並讓其在黑暗中孵育三個月。Velaskes-Garcí a說，即使有這個潛伏期，這個過程也比壹棵樹生長到成熟所需的時間快兩個數量級。孵化後，產生的細胞物質將被脫水，然後研究人員將進壹步評估其特性。
研究人員發現，較低的激素水平將產生更圓、更開放和更低密度的細胞植物材料。較高的激素水平將導致細胞結構更小、更密集的植物材料的生長。較高的激素水平也產生較硬的植物材料。研究人員可以種植與壹些天然木材性質相似的植物材料。
這項工作的另壹個目標是研究在這些實驗室中生長的植物材料的木質化。木質素是壹種沈積在植物細胞壁中的聚合物，它使植物具有剛性和木質。他們發現，生長介質中的激素水平越高，就會導致更多的木質化，這將導致植物材料具有更多類似木材的特征。
研究人員已經證明，使用3D生物打印過程，植物材料可以按照定制的形狀和大小生長。這個過程不使用模具，而是使用可定制的計算機輔助設計文件，該文件被發送到3D生物打印機，以將細胞凝膠培養物沈積成特定的形狀。例如，他們可以將植物塑造成小常青樹的形狀。
博倫斯坦說，這種研究相對較新。他補充說:“利用最初為醫療保健應用開發的技術進步，這項研究證明了工程和生物學之間的技術可以應對環境挑戰。”
研究人員還表明，細胞培養物在打印後可以存活並繼續生長幾個月，使用更厚的凝膠來產生更厚的植物材料結構不會影響實驗室培養的細胞的存活率。
“我認為這裏真正的機會是優化妳使用什麽以及如何使用它。如果要為了某種目的創造壹個物體，就需要考慮力學性能的期望。這個流程真的很適合定制。”維拉克斯-加西亞說。
現在這項技術已經被證明是有效和可調節的，研究人員希望繼續實驗，以便更好地了解和控制細胞發育。他們還想探索其他化學和遺傳因素是如何引導細胞生長的。
研究人員想評估如何將他們的方法移植到新物種上。Velaskes-Garcí a說(百日草)不生產木材，但如果用這種方法生產壹種商業上重要的樹種，比如松樹，就需要為這種樹種定制。
最後，他希望這項工作可以幫助激勵其他團體深入研究這壹領域，以幫助減少森林砍伐。
“樹木和森林是幫助我們應對氣候變化的絕佳工具。因此，盡可能利用這些資源進行戰略規劃，將是未來的社會需求。”貝克威思補充道。
這項研究部分由德雷柏學者計劃資助。