劍橋大學(xué)3D打印仿生珊瑚結(jié)構(gòu)培養(yǎng)藻類(lèi)

2020年4月17日，南極熊獲悉，來(lái)自劍橋大學(xué)和加州大學(xué)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(jié)構(gòu)，能夠生長(zhǎng)微觀藻類(lèi)群落。 這項(xiàng)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(guó)家用于生物制品的藻類(lèi)種植的方法。

3D生物打印的藻類(lèi)珊瑚結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)自劍橋大學(xué)。

藻類(lèi)與珊瑚的共生關(guān)系

在海床上，珊瑚和藻類(lèi)相互依存，蓬勃發(fā)展。珊瑚是藻類(lèi)的棲息地，藻類(lèi)通過(guò)光合作用為珊瑚產(chǎn)生葡萄糖。通過(guò)這種關(guān)系，珊瑚礁得以維持-在全世界各種熱帶水域中發(fā)現(xiàn)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(shuō)：“珊瑚在收集和利用光方面非常高效。在我們的實(shí)驗(yàn)室中，我們正在尋找從自然界復(fù)制和模仿這些策略以用于商業(yè)應(yīng)用的方法�！�

3D打印仿生珊瑚

研究人員的目標(biāo)是模仿珊瑚的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在收集和重新分配光到藻類(lèi)中非常有效。為了創(chuàng)建在珊瑚內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜幾何圖形，該團(tuán)隊(duì)首先使用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)掃描真實(shí)的珊瑚，然后將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D模型。

珊瑚的3D渲染和微觀結(jié)構(gòu)的SEM成像，圖片來(lái)自劍橋大學(xué)

然后使用自定義設(shè)置對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行3D生物打印，分辨率高達(dá)微米。該生物打印機(jī)使用光一次制造一層珊瑚微結(jié)構(gòu)，每層僅需幾秒鐘。事實(shí)證明，人造珊瑚在采光和為藻類(lèi)提供宿主環(huán)境方面與原始珊瑚一樣有效。進(jìn)一步測(cè)試打印珊瑚的藻類(lèi)生長(zhǎng)速度是標(biāo)準(zhǔn)液體生長(zhǎng)培養(yǎng)基的100倍。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的合著者Shaochen Chen教授解釋說(shuō)：“這對(duì)于用活細(xì)胞復(fù)制結(jié)構(gòu)至關(guān)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(shù)將死亡，因?yàn)檫@些方法需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。如果在培養(yǎng)基中放置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，我們與之合作的細(xì)胞將無(wú)法生存。我們的工藝具有很高的生產(chǎn)率，并提供了非�？斓拇蛴∷俣�，因此在這種情況下，它可以與人類(lèi)細(xì)胞，動(dòng)物細(xì)胞甚至藻類(lèi)細(xì)胞兼容�！�

博士劍橋大學(xué)的合著者西爾維婭·維尼奧尼（Silvia Vignolini）繼續(xù)解釋說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)利用聚合物凝膠和水凝膠的組合開(kāi)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(shí)珊瑚的光學(xué)特性。

仿生多孔珊瑚組織，圖片來(lái)自劍橋大學(xué)

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(zhuān)注于向發(fā)展中國(guó)家培養(yǎng)和提供藻類(lèi)生物產(chǎn)品。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)和發(fā)現(xiàn)可以在題為“Bionic 3D printed corals”的論文中找到。它由Daniel Wangpraseurt，Shangting You，F(xiàn)arooq 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(jié)構(gòu)。 ISS上的3D生物制造設(shè)備于去年啟動(dòng)，用于在微重力空間中3D打印軟組織，這些組織不會(huì)因自身重量而塌陷。俄羅斯生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室3D Bioprinting Solutions也在國(guó)際空間站上運(yùn)行，具有3D生物打印的骨組織。該團(tuán)隊(duì)正在努力為長(zhǎng)期的行星際探險(xiǎn)創(chuàng)造用于宇航員移植的骨植入物。



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