劍橋大學3D打印仿生珊瑚結構培養(yǎng)藻類

2020年4月17日，南極熊獲悉，來自劍橋大學和加州大學圣地亞哥分校的聯(lián)合研究小組，制造了3D生物打印的模仿珊瑚結構，能夠生長微觀藻類群落。 這項發(fā)表在《 Nature Communication》雜志上的研究，旨在提供一種最終減少溫室氣體排放并改善發(fā)展中國家用于生物制品的藻類種植的方法。

3D生物打印的藻類珊瑚結構，圖片來自劍橋大學。

藻類與珊瑚的共生關系

在海床上，珊瑚和藻類相互依存，蓬勃發(fā)展。珊瑚是藻類的棲息地，藻類通過光合作用為珊瑚產生葡萄糖。通過這種關系，珊瑚礁得以維持-在全世界各種熱帶水域中發(fā)現的廣闊而多樣的生態(tài)系統(tǒng)。

該研究的作者Daniel Wangpraseurt博士解釋說：“珊瑚在收集和利用光方面非常高效。在我們的實驗室中，我們正在尋找從自然界復制和模仿這些策略以用于商業(yè)應用的方法�！�

3D打印仿生珊瑚

研究人員的目標是模仿珊瑚的結構，這種結構在收集和重新分配光到藻類中非常有效。為了創(chuàng)建在珊瑚內部發(fā)現的復雜幾何圖形，該團隊首先使用光學相干斷層掃描技術掃描真實的珊瑚，然后將掃描數據轉換為3D模型。

珊瑚的3D渲染和微觀結構的SEM成像，圖片來自劍橋大學

然后使用自定義設置對復雜模型進行3D生物打印，分辨率高達微米。該生物打印機使用光一次制造一層珊瑚微結構，每層僅需幾秒鐘。事實證明，人造珊瑚在采光和為藻類提供宿主環(huán)境方面與原始珊瑚一樣有效。進一步測試打印珊瑚的藻類生長速度是標準液體生長培養(yǎng)基的100倍。

加州大學圣地亞哥分校的合著者Shaochen Chen教授解釋說：“這對于用活細胞復制結構至關重要。如果我們使用傳統(tǒng)的基于擠壓或噴墨的方法，這些單元中的大多數將死亡，因為這些方法需要花費數小時。如果在培養(yǎng)基中放置的時間過長，我們與之合作的細胞將無法生存。我們的工藝具有很高的生產率，并提供了非常快的打印速度，因此在這種情況下，它可以與人類細胞，動物細胞甚至藻類細胞兼容�！�

博士劍橋大學的合著者西爾維婭·維尼奧尼（Silvia Vignolini）繼續(xù)解釋說，該團隊利用聚合物凝膠和水凝膠的組合開發(fā)了人造珊瑚組織和骨骼。凝膠中摻有纖維素納米材料（一種豐富的生物聚合物），以模仿真實珊瑚的光學特性。

仿生多孔珊瑚組織，圖片來自劍橋大學

研究小組希望其3D生物打印的珊瑚可以用作珊瑚-藻共生的模型，這將有助于他們了解大堡礁的惡化。他們還成立了一家名為mantaz的公司，該公司專注于向發(fā)展中國家培養(yǎng)和提供藻類生物產品。

這項研究的更多細節(jié)和發(fā)現可以在題為“Bionic 3D printed corals”的論文中找到。它由Daniel Wangpraseurt，Shangting You，Farooq Azam，Gianni Jacucci，Olga Gaidarenko，Mark Hildebrand，MichaelKühl，Alison Smith，Matthew Davey，Alyssa Smith，Dimitri Deheyn，Shaochen Chen和Silvia Vignolini合著。

3D生物打印不限于海底結構。 ISS上的3D生物制造設備于去年啟動，用于在微重力空間中3D打印軟組織，這些組織不會因自身重量而塌陷。俄羅斯生物技術研究實驗室3D Bioprinting Solutions也在國際空間站上運行，具有3D生物打印的骨組織。該團隊正在努力為長期的行星際探險創(chuàng)造用于宇航員移植的骨植入物。



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