材料

科学家们的新型3D生物打印木材可以生产出未来环保家具

科学家从麻省理工学院麻省理工学院(MIT)已经开发出了实验室培养的木材细胞,可以形成一种新的、更可持续的3D打印生物材料的基础。

通过培育人造肉等植物组织,研究人员已经能够调整它们的形态,并消除获取木材通常需要的浪费收获。虽然该团队的研究仍处于早期阶段,但他们相信,在未来,它可能被用于3D打印环保家具,或生产合成木材,以缓解日益严重的森林砍伐危机。

该研究的主要作者阿什利·贝克威斯(Ashley Beckwith)说:“我们投入了大量资源来种植整株植物,但实际上我们只使用了植物的很小一部分。告诉BBC“所以,我们不知何故,我们需要弄清楚更具战略性的方式来复制那种不那么依赖的材料。”

其中一名研究人员用木质化细胞3D生物打印培养物。
研究人员的3D生物印刷文培养物之一。图片来自《清洁生产杂志》。

更换生产内的木材

与化石燃料相比,木材和其他以植物为基础的材料经常因其可再生性而受到称赞,因此,它们经常被用于生产消费品和发电。然而,我们对木材的过度依赖导致了大规模的森林砍伐,这可能对环境造成持久的后果。

从本质上说,几个世纪以来,木材的生长和收集方式都没有改变,因为在有用的部分被收获之前,整个植物都被种植,其余的作为自然废物被焚烧。这种方法导致很多树木被丢弃,如果考虑到土地、肥料和运输的成本,它也相当昂贵。

相比之下,实验室生长的材料具有缓解农业压力的潜力,因为它们可以成长为规格,消除了丢弃不需要的碎片的需要。在其他地方,作为被称为“微扑相的练习的一部分”,小植物样品被生长为幼苗和重新分配,但该方法是高度选择性的,并且通常仅用于挽救最稀有的物种。

然而,如果在更广泛的范围内应用于木材的生长,微繁殖可能会产生更广泛的影响,极大地减少了种植植物材料所需的时间。通过结合这些方法,麻省理工学院的研究小组开发出了一种具有可调谐特性的新型生物材料,并试图将其3D打印成可伸缩的复杂结构。

麻省理工学院科学家的3D生物打印方法。
研究人员的3D生物打印方法使他们能够生产细胞存活率超过70%的生物基结构。图片来自《清洁生产杂志》。

培育一种新型生物材料

为了测试的目的,科学家们从被充分研究过的细胞中提取活细胞Zinnia线虫植物种类,利用营养培养它们,并将它们悬浮在凝胶支架中。在这样做的过程中,该团队允许植物细胞生长到支架中,而不需要阳光或土壤,同时只生产可收获的元素。

在细胞生长过程中,研究人员能够调整它们的激素浓度、pH值水平、密度和整体功能,确保它们生产出具有最佳性能的生物材料。经过大量的修补,该团队成功地排列了细胞,使它们形成了二次木质素增强壁,并有效地转化为以木材为基础的凝胶。

一旦其新材料准备就绪,科学家们使用了组合的3D生物印刷品和基于注塑的方法,制造了一系列薄的树形测试结构。虽然印刷物体在十天内显示出超过70%以上的高电池活力,但它们也具有较低的机械强度,目前将限制其在家具等承重结构中的使用。

因此,麻省理工学院团队将其研究视为更多概念证明,这证明了比目前农业方法更有效地更有效地发展木材的可行性。在培养参数附近的进一步研发方面,研究人员将来,他们的方法可以产生各种其他3D印刷家庭产品,这对自然界造成很少或没有损害。

贝克威斯总结道:“我不知道我是否会种植一张完整的桌子,因为这不是很好地利用空间,但它有潜力。”“这是一个伟大的愿景,人们真的已经理解了这个概念,所以我希望我们能引起更多的兴趣,让更多的人参与进来,让它成为现实。”

生物打印材料

随着阻止全球变暖的竞赛升温,科学家们正在开发合成生物材料,作为一种更可持续的天然原料替代品。

研究人员在弗赖堡大学对麻省理工学院团队采取了不同的方法,并创造了一个新型木质3D打印材料他们自己的。利用复合纤维素球,德国团队生产了一种生物合成聚合物,可用于轻型建筑或工业应用。

同样,作为欧盟支持的一部分因为该项目的研究人员目前正在进行3D打印纤维素基组件用于汽车,船舶或电气绝缘行业。总体而言,该项目旨在提高全球资源效率,作为应对气候变化和建设更循环经济的一种手段。

在更实验性的研究中德国联邦材料研究所研究与测试,正试图3D打印白蚁垃圾进入环保结构。虽然新型生物材料最初表现出低的机械强度,但它也能够在没有聚合物添加剂的情况下搅拌粘合剂。

研究人员的研究结果详细发表在题为《使用Zinnia elegans模型通过体外细胞培养的可调谐植物的材料,“并由Ashley L. Beckwith,Jeffrey T. Borenstein和LuisF.Velásquez-García共同撰写。

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特色图片显示了一名研究人员的木质化细胞3D生物打印培养物。图片来自《清洁生产杂志》。